武汉失守之后，中国空军在人员、飞机上均有较大损耗，作战飞机仅有135架。为了进行整补，暂时停止了出击。各轰炸机中队调至成都、宜宾整训，各驱逐机中队调至重庆、成都、兰州等地驻防和训练。苏联志愿航空队亦转至兰州基地进行休整。1939年春，从苏联又购进一批飞机，补充中国空军和苏联志愿航空队。作战飞机增至245架。此时，苏联志愿航空队有4个大队（轰炸、战斗各2个），中国空军有7个大队及1个独立侦察中队。其中，第1、第2、第6、第8大队为轰炸机大队，第3、第4、第5大队为驱逐机大队。一部兵力统一驻防西安、梁山、吉安、衡阳、南施等机场担任警戒，其他集中于兰州、汉中、重庆、宜宾、昆明、柳州、芷江进行训练。为便于指挥作战，将领导机构改编为1个军区司令部和3个路司令部。第1军区司令部（司令官黄秉衡）驻兰州，所属第1路司令部驻重庆，第2路司令部驻桂林，第3路司令部驻成都。
1939年上半年，日军在华飞机共有500架左右（海军航空兵200余架，陆军航空兵280余架）。6月间诺门坎事件发生后，日本陆军航空兵团司令部及5个战队调往中国东北。在中国关内的陆军航空兵编为第3飞行集团，下辖第1、第3飞行团和第21独立飞行队，分驻华北、华中和华南。此时，日军已无力发动大规模的战略攻势，其陆军省与参谋本部制订的《今后对华处理办法》规定：“如无特别重大的必要时，不再扩大占领地区。”同时，其参谋总长载仁亲王奉敕于1938年12月2日下达《大陆令第241号》，规定侵华日军的主要任务是“确保占领地区，促使其安定，以坚强、长期围攻的态势，努力扑灭抗日残余势力”，但对其航空兵，则命令华中派遣军司令宫主要担任华中及华北的制空进攻战，特别是制压和袭扰敌人的战略、政略中枢，并秘密与海军协同，努力歼灭敌人的空军作战力量。此后，日军即加强了对中国内地各重要城市的空袭，企图摧毁中国军民的抗战意志，迫使国民政府屈服。在此之前，日军航空兵已经对中国内地进行过多次轰炸，但其空袭的目标，主要是军事要地和机场，此后则改变为以打击中国政治、经济中心为主，以打击军事目标为辅的方针。
1938年12月26日第1次空袭重庆后，即不断空袭兰州、成都、宜宾等后方城市。1939年2月上旬，开始轰炸延安。中国空军在迎击和反击的战斗中，曾取得一些战果，不断击落日机。11月4日，日海军第13航空队72架飞机袭成都时，其司令官奥田喜久司被中国空军击毙。10月3日、14日，苏联志愿航空队两次空袭武汉日军机场，共炸毁日海军飞机70余架，志愿队飞机仅受伤3架。但总的来说，由于实力悬殊，中国空军损失甚巨，特别是在日机频繁的空袭下，后方人民的生命财产遭到空前的浩劫。尤以重庆所受的破坏更大。如5月4日的空袭，炸毁房屋1200余栋，居民死亡4400余人，负伤3100亲人。
1940年初，中国空军尚有战斗机112架、轰炸机49架。撤销了第2、第6大队的番号，保留第1、第3、第4、第5、第8大队和直属第1、第25中队。在苏联购买的飞机，因交通困难，难以及时补充消耗。第二次世界大战爆发后，欧洲局势日趋紧张，苏联为求自保，更无力向中国供应飞机和航空器材。中国空军的处境，更为严峻。据中国《空军游击计划及作战计划》记载，至1940年8月，中国空军所剩的各式作战飞机仅有61架。国民政府认为，1940年“是抗战中空军作战最黑暗的时期”。
1940年，据日军5月间统计，在华日军陆海军航空兵的作战飞机共有408架（不包括东北地区和台湾地区）。日本大本营为尽快迫使国民政府屈服以早日结束中日战争，5月间决定进一步加强对中国的政略、战略轰炸，发动一次代号力“101”的大规模空袭，使用飞机297架，以汉口、运城为主要基地，集中轰炸重庆和成都。5月18日开始，9月4日方告结束。本来在数量上中国飞机就处于绝对劣势，当日海军“零式”战斗机使用于中国战场后，中国空军面临的形势更为严峻。“零式”战斗机装备有机枪4挺和轰炸，射击瞄准仪，可载60公斤航弹2枚，爬高速度与续航力等都较当时中国使用的苏制N-15和N-16驱逐机为优。
1940年9月13日，中国空军34架驱逐机与日军13架“零式”战斗机在重庆附近上空空战，中国飞机被击落13架，击伤11架，而日机仅有数架受伤。这次空战是中国N-15、N-16驱逐机与日军“零式”战斗机的第一次交锋，也是抗战以来中国空军最惨亘的一次失败。这次空战之后，中国空军为减少损耗，下令飞行员避免与日战斗机正面交锋。日机来袭时，经常提前起飞避警。因而，中国的制空仅完全落人日军航空兵手中。1940年内，日机进袭四川达102次，出动飞机3050架次，单对重庆就轰炸了49次，而且每次飞机多在100架左右。10月间，对成都的一次空袭，竟有数架日机在其“零式”战斗机掩护下，降落在成都机场，飞行员下机纵火焚烧停放在机场边上的中国教练机后，再登机起飞。据日军统计，“101”号作战的110天内，日机与中国飞机空战607架次，击落中国飞机117架（内14架未证实），炸毁65架；日机被击落16架，受伤387架。据中国空军统计，1940年全年，包括“101”号作战在内，中国空军共进行空战61次，使用飞机1084架次，击落日机32架，击伤日机22架，中国飞机被击落、击毁29架，损伤64架。
中国抗战之初，美国对日本采取所谓中立的绥靖政策，没有给与中国任何实际支援，反而供给日本战略物资，随着侵华战争的扩大，美国的在华利益受到损害，日军占领武汉后，日美关系逐渐发生变化。1938年11月30日，日本内阁御前会议确定要建立“东亚新秩序”，这就完全否定了美国“门户开放，机会均等”的政策，不仅关系到美国在华的利益，而且关系到美国在东南亚的利益。12月30日，美国政府写信给日本政府，说“美国政府不承任何一个国家，有必要、或有理由在不属于它的主权的地区内，规定一个新秩序的内容与条件，并自命为这个新秩序的掌权者及施令者”。从1940年1月起、美国开始对日本实施军火限制。
1940年9月27日，德、意、日签订了同盟条约。美国于10月6日宣布“征集废铁令”，不准再向日本出卖废铁，日美予盾开始激化。蒋介石利用日美的矛盾，10月18日向美国驻华大使约翰逊正式提出希望美国提供空中援助的要求，说中国每年需500至1000架飞机，希望能尽快先运到500架以济燃眉之急。还说：“我国如有此数量之飞机。即可摧毁日本海军之实力。此实美国唯一替代对日作战之良策也。即使美日发生战争，只要美国有新式空军以助我陆军之作战。美国海军虽不驶来远东亦无妨碍。盖中国陆军与美国空军之一部分，已足以消灭日本海军。”10月底，又派其空军顾问，美国退伍军官陈纳德和毛邦初至美国活动。
11月6日，美国大选结束，罗斯福第3次连任总统。他认识到，美日冲突己不可避免，但美国尚未作好战争准备，因而，其远东政策和首要问题就是利用中国的抗战，拖住日本，使其暂时不能向南扩张，以推迟美日战争的开始时间，为此，他决心突破“孤立主义”，实行“以华制日”方针。1941年3月，美国会通过“武器租借法案”，4月贷给国民政府543万美元，并宣布中国是有资格获得租借援助的国家，可以贷款购买美国的飞机。但又怕公开援助中国，激怒日本，促其提前与美国开战，并为应付国内的孤立主义势力，罗斯福签署了一项行政命令，准许预备役军官和士兵迟出陆军和海军航空部队，参加陈纳德组建的赴华美国志愿队。既可以支援中国迫切需要的空中援助，又避免了美国政府公开出面。1941年7月，110名飞行员、150余名地勤人员作为第一批美国志愿人员来到中国。蒋介石于8月1日发布命令、“由志愿来华参战之美员及航空委员会派赴该队之华员，共同组成”中国空军美国志愿大队，下辖3个驱逐机中队，以“陈纳德上校就任该大队指挥官”，共有P40-C驱逐机99架，先在缅甸的同古集训。
1941年12月7日，太平洋战争爆发，英、美对日宣战，加拿大、荷兰、希腊等许多国家都对日宣战，中国政府也于9日正式对日宣战，中国单独抗击法西斯日本的战争发展为世界反法西斯战争。这时，日本陆军航空兵的150个中队，有70个用于太平洋战场，入侵中国的海军航空兵也多用于中国沿海对美军的反潜和空防作战，日军航空兵对中国内地的压力相对有所减轻。中国空军除增加了美国志愿航空队外，自身实力也得到恢复，有轰炸机第1、第2，第8、第12大队，驱逐机第3、第4、第5、第11大队和侦事机第12大队，共有作战飞机290余架。空军作战形势发生了较大的变化，中国空军为了分散日军航空兵的力量，以策应英、美在太平洋战场的作战，根据客观形势与自身的条件，决定采用空中游击战术。
据国民政府档案《空军各司令部各部队概况》中的《中美空军混合团概况》记载，空中游击战的主要特点是：“1利用国内多数机场之优点，用最飘忽之行动，每次以轻轰炸机3、5架，于薄暮前秘密推进于昆明、柳州、南宁、桂林、衡阳、赣县、吉安，衢州等地，准备完毕，于次晨实施游击任务，轰炸各预定目标。2.达成游击任务后，即回航至远后方或各小机场隐蔽，使敌无从捉摸截击，然后再转至第二机场，对第二目标实施游击。3.若敌机向我各重要机场举行反轰炸时，我机应漏油疏散，使场站一空，任敌轰炸以消耗其油弹，我机待使用时迅行填补。4.若敌遍布飞机守护重要目标，或不断派飞机挑战，企图扑灭我空军时，则已达到牵制目的。此时空军应暂缓行动，并躲避不与交锋。待有良机再实行出击。”
为了适应空中游击战术的需要，陈纳德对中美飞行员提出一套“突然袭击打了就走”的战斗方法。他认为，“日本人的飞机爬高快，升高能力强，如果用日本人的战斗方法作战，飞行员就会丧生”。由于当时中国空军使用的驱逐机主要是美国的P-40型，飞行速度较日本飞机为快，所以他要求飞行员“要利用自己的速度优势，飞到日机上面，然后以迅猛的俯冲动作，开足马力全速冲向日机，猛烈开火，尔后立即溜走，在飞离至安全距离后，再改变航向，重新升高取得高度优势”。使用这种战术和战斗方法，使中国空军对日军航空乒的作战处于极为主动的地位，虽然飞机数量仍远远少于日军，却获得较大的胜利。
1941年12月中旬，为防止驻越南的日军飞机空袭昆明，从同古调美国志愿队的2十中队到昆明担任空防。12月20日，10架日本轰炸机从越南空袭昆明。志愿队升空迎战，一举击落日机4架，首战告捷。当晚，昆明各界人士为志愿队举行庆功大会，报纸均以头版头条报道空战经过，称赞志愿队的飞机是“飞虎”。从此，“飞虎队”成为美国志愿航空队的代称。12月23日，日军轰炸机48架在战斗机20架的护航下空袭仰光。中国的美国志愿航空队此时尚有第3中队（驱逐机15架）留在同古，当即与英军18架战斗机起飞迎战，击落日机7架。
1942年1月22日和24日，中国空军第1大队和第2大队的18架轰炸机，在志愿队第1中队9架驱逐机的掩护下，配合英、美军在东南亚作战，由蒙自起飞，轰炸越南河内嘉林日军机场，给予日军以一定杀伤。3月24日，志愿队10架飞机空袭泰国清迈日军机场，以燃烧弹击焚日机40余架，自身损失2架，这些战例都说明，中国空军的游击战术是正确的，是符合实际的。据国民政府军令部战史会统计，从太平洋战争爆发至1942年5月底止，中国空军在越南、缅甸、泰国及国内，仅志愿队3个中队就执行战斗任务102次，击落、击毁日机268架，击伤日机40架。该队损失飞机68架，战死及失踪24人，负伤6人。
1942年5月初，日军占领缅甸腊戍，曼德勒、密支那等地，中国唯一的陆上国际通逍滇缅路被切断。早在2月间就已拟议的空中运输航线于5月间经中美双方协议开通。当时勘察的主要航线为两条，北线自印度汀江起飞，经程侮到昆明，南线自汀江起飞，经达奈卡河汉、云龙至昆明。南线山峰较少，气象条件也稍好，但距日军密支那、八莫的机场较近，易遭日机攻击，所以主要使用北线。全线航程820公里，必须飞越地形复杂、气象多变的喜马拉雅山脉，一座座高耸的山峰犹如驼峰，所以人们便把它称之为“驼峰航线”。飞越驼峰是极为艰难的飞行。从开辟这一航线至日本投降的3年多时间里，由于气象条件恶劣和日军航空兵袭击，以及飞机故障等原因，执行空运任务的飞机，美国空运队损失468架，中国空运队损失46架，共514架。中、美飞行员共牺牲1000余人。
航线开辟之初，美国空运队有27架运输机，中国空运队仅有6架运输机，运输量极小。从6月至8月的3个月中，美国空运队只运至昆明500多吨援华物资，中国空运队运输380吨。以后，飞机逐渐增多，运输量也日益增多。1943年10月，月运输量，美国空运队增至7240吨，中国空运队增至1122吨。至1945年初，美国中印空运司令部己辖6个空运队，共有飞机629架，中国空运队也发展为39架。月运输量，美国空运队已达2.6万吨，中国空运队亦大有增加。许多美国援华的作战飞机也是从这条航线飞到中国的。整个“驼峰航线”开通期间，美国空运队共运输物资65万余吨，中国空运队共运物资7万余吨，对支援中国抗战曾起过相当积极的作用。
1942年7月，美国认为已经对日宣战，以志愿人员援助中国的方式已无必要，遂将志愿航空队改编为美国第10航空队第23战斗机大队，脱离了中国空军的战斗序列。第23战斗队亦称美国驻毕航空特遣队，陈纳德由预备役转为现役，并升为准将，任大队指挥官。但这时仍只有3个中队，51架飞机，其中能作战的仅29架，仍只能和中国空军联合对日实施游击战。1942年6月，美军在中途岛击败日本，获得战略主动权。1943年2月初，又在爪达尔卡纳尔岛击败日军，粉碎其夺战略主动仅的企图后，太平洋战场的形势发生巨变，日本转为战略防御，而美国则开始准备进行战略进攻。为此，美国陆军决定增加驻华空军的力量，于1943年3月，将第23战斗机大队扩编为第14航空队，陈纳德升任少将司令。该队不断得到加强，至1945年时，已拥有700架飞机。为提高中国飞行员的作战能力，中美双方商定。在印度的卡拉奇建立作战飞行训练中心，由中、美共同负责，轮训中国飞行员。
1942年至1943年上半年，中国空军除担任防空和空中游击外，大部分时间用于补充和训练，实力得到恢复和加强。1943年5、6月间，中国空军和美国第14航空队联合参加鄂西会战。日军投入第25、第90、第33、第44战队，共有飞机248架；中国空军投入了第1、第2、第4、第11大队，连同美国第14航空队，共有飞机165架。会战结束时，中国空军和美国第14航空队共出击53批，使用驱逐机336架次、轰炸机88架次，合计击落日机31架，炸毁日机6架。这是武汉失守以来规模最大的一次空战，也是中国抗日战争中空战的重要转折点。从此，日航空兵在中国上空通行无阻的时期宣告结束，制空权开始向中美空军手中转移。同时，攻、防形势也开始变化，中美空军由防御和游击战转为进攻和大规模的出击战。日军承认：“以1943年为期，大陆制空仅已转移到中国方面，从前在绝对制空权下行动的我对华地面作战的形势；颇有改变之虞。”
为了加强中美空军的合作，1943年10月1日，成立了中美混合团，各级指挥官均为双方人员担任，编制上属于中国空军。中方以第1、第3、第5大队加入，美方人员加入3个大队中。每大队下辖4个中队，共有轰炸机60架、驱逐机100余架。飞行员和地勤人员多数是中方人员，美方人员仅占四分之一。混合团的作战方针是：“协助我地面部队作战，削减敌在我国大陆的进攻力量，并打击敌驻华空军，获得空中优势。”
1943年末起，中国在成都附近的新津、彭山、邛崃、广汉及昆明，修建了许多能使超重型轰炸机起落的大型飞机场，并在陕西、广西等省修建了大批中、小型前进机场。在第一线作战的中、美飞机，驱逐机达439架，轰炸机达168架。中、美空军大编队机群频繁地袭击日军重要航空基地、车站、码头及军队集结地，侦察机几乎遍于整个中国大陆。日军海上、陆上补给线经常因遭空袭而告中断。在战役上，已能直接支援地面部队作战。如1943年11月至1944年初的常德会战，中、美飞机共出动216批，使用战斗机1467架次，轰炸机280架次，重点打击日军地面部队，在空战中，击落、炸毁日机37架，击伤19架。在战略上，除对大陆各战略目标攻击外，还轰炸了日军大后方基地。如1943年11月25日，中国空军第1、第3大队一部和美第14航空队一部，空袭台湾新竹机场，炸毁停机坪上日机30余架，击落强行起飞的日机6架，使驻台日海军航空兵遭受沉重打击。此次行动，美军仅损失1架飞机。
1944年4月，日军为打通平汉、粤汉路的交通和摧毁桂林、柳州等地空中基地和前进机场，发动豫湘桂会战。中美空军支援地面部队作战，取得良好的战果，如在河南方面作战时，中国空军出动300批，美第14航空队出动12批，共使用驱逐机1646架次，轰炸机272架次。据中国空军统计，击落日机32架，炸毁11架，还炸毁各种车辆1000多辆等。但由于地面部队一触即溃，最后会战结束时，中国在衡阳、桂林、柳州等地的7个空军基地和30多个机场，均被日军占领。
1945年上半年，中国空军连续攻击日军各大战略要点、空军基地等目标，曾空袭青岛、运城、临汾、南京、上海、武汉等地机场和攻击日军地面部队，很少再遇到日机的截击和反击。5月以后，日陆、海军航空兵大部撤高中国，仅留数十架飞机，连应战的能力也失去了。