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8月15日，中国空军按计划分八批轰炸上海日军。
第一批飞机起飞后，陈纳德来到南京首都饭店楼顶，注视着天气变化。据气象预报，这天将有台风和暴雨袭击上海。果然中国空军派出的轰炸机群，有两批因气候关系中途返回，未能完成任务。
上午9时，轰炸日军司令部的第6大队五架战机，所携带炸弹威力不足，虽击中目标但仅将屋顶炸几个小洞。第7大队六架克塞机由安徽滁县起飞，轰炸上海日军司令部，多数击中目标，因日军防空火力太强，中国空军损失一架轰炸机。
日本空军对中国空军频繁出击十分恼火，则进行疯狂报复。
8月15日清晨，日本空军再次出动轰炸机34架，分批袭击杭州。中国空军第4大队起飞21架追击。大队长高志航再次首开纪录，击落日机一架，正当他向另一架日机攻击时，左臂被流弹击中，他带伤驾机驶回机场。其余战友仍在空中厮杀，分队长乐以琴连续击落四架日机后，因油料不足只好返航。这天杭州空战共击落日机17架。
同日，日本木更津航空队轰炸机36架首次空袭南京，又被中国空军击落14架。
8月17日，第5大队25中队八架****机轰炸日军司令部，遭敌防空火力拦阻。
8月19日，第2大队出动两批轰炸机各七架，抵达目标区时同遭敌防空火力拦阻。飞行员沈崇海杀敌心切，驾机从两千米高空对准一艘日舰俯冲下去，与敌舰同归于尽。
当时日军两艘航空母舰停泊于长江口外，从8月15日起，日机就纷纷从这些母舰上起飞，轮番轰炸中国守军阵地、车站等，加之黄浦江上日舰海军大炮猛烈轰击，中国守军伤亡惨重。中国空军竭尽全力支援地面部队作战。
8月19日，中国守军开始总攻击。22日，中国守军曾一度攻占汇山码头，部分日军逃入英租界，被英军缴械。守军继续向汇山码头两翼进展，日军连日失利濒临绝境。
这时，由松井石根大将率领的援军到达上海吴淞口外。为阻止日军登陆，中国空军第4大队代理大队长王天祥，率领18架飞机往浏河一带轰炸敌人登陆部队，在上海近郊与敌驱逐机群遭遇，展开激烈空战。王天祥在击落两架日机后不幸牺牲。
8月23日拂晓，日本空军猛烈轰炸中国守军阵地。日本海军也以重炮支援敌陆军在川沙口、狮子林至吴淞口一带登陆。中国空军派第3、第4、第5大队19架轰炸机赶赴登陆场，轰炸登陆日军及日舰。击落两架日机，中国空军损失一架，分队长秦家柱阵亡。
8月24日，日本航母上105架飞机全部出动，疯狂轰炸我军阻敌登陆部队。中国守军伤亡极大。次日，日军第3师团主力向上海西北的罗店镇攻击。
中国空军第9大队和驻汉口的第8大队派机助战。至28日，中国空军损失过半，罗店也在同日陷落。至此，中国空军共击落日机61架，日本空军两个精锐航空队被基本消灭。