1937年7月7日，全面抗戰(zhàn)爆發(fā)。7月下旬，為了抵御日軍對華北的侵略，國民政府決定首先搶修華北地區(qū)的重要機場。但到了11月，隨著日軍對我國東南沿海地區(qū)攻勢的增強，國民政府將力量轉向蘇州、嘉興、杭州、蕪湖、合肥等15個機場的建設，同時擴修兩廣和閩浙贛等地的28個機場。

1937年11月后，為幫助中國抗擊日本侵略，蘇聯向中國援助飛機1235架，派遣2000余名飛行員來華，并在新疆建立航空學校，幫助中國培養(yǎng)飛行員和航空技術人員。國民政府則按照蘇制飛機標準，在蘭州設立空軍第7總站，又在新疆等地建5座機場。隨著日軍侵略華中地區(qū)，國民政府開始在漢口、南昌、贛州、長沙、廣州等地搶擴建一批機場；并調集人力物力，擴修合肥、安慶、九江、南昌、隴海線東部，信陽、駐馬店和漢口中央航空學校機場。

武漢會戰(zhàn)結束后，南昌機場等重要空軍基地遭到日軍破壞，中蘇航空隊被迫向后方移防。從1940年4月下旬開始，日軍開始集中轟炸重慶等地的中國空軍機場。隨著蘇德戰(zhàn)爭爆發(fā)，蘇聯對于中國的航空援助告一段落，中國空軍多集中于西南西北地區(qū)的機場執(zhí)行訓練和警戒任務，反擊日機的來襲。

太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)后，中國空軍美國航空志愿隊(即“飛虎隊”)總部進駐昆明西郊的巫家壩機場。國民政府進一步加強了西南和西北地區(qū)空軍地面設施建設，逐步建立起以昆明、成都為中心的西南機場群，以桂林、柳州、衡陽為基地的華南機場群，以芷江、恩施、來鳳為基地的湘西和鄂西機場群，以及以蘭州、老河口、漢中為基地的西北機場群。

1943年，中國空軍開始轉入反攻。常德會戰(zhàn)時，中美空軍開始以湖北、江西、四川等地機場為基地，配合中國地面部隊的行動，轟炸日軍主力部隊、日軍航空基地和設施。

為了對日本本土實施轟炸，根據中美協議，國民政府在四川實施“特種工程”，新建或擴建新津、邛崍、彭山、廣漢4個大型轟炸機機場，以及華陽太平寺、雙流馬家寺、雙桂寺、彭家場、成都鳳凰山5個機場。1944年5月，工程如期完工，每個機場都配備了完備的配套設施，堪稱當時世界上最先進的機場群之一。6月15日，美國轟炸機75架從四川的機場起飛，長途奔襲日本。此后美軍的大型轟炸機頻頻從中國機場起飛，對日本本土持續(xù)轟炸。

為了奪取能用于轟炸日本本土的中國機場，日軍發(fā)動進攻，奪取了7個中國空軍基地和36個機場，但中國軍民連續(xù)在西南山區(qū)搶建和擴建了一批新機場。而此時的日本無論是陸軍還是空軍，都已是強弩之末。就在衡陽淪陷后的第二天，陳納德就率中美飛機飛到衡陽上空轟炸。此后，中美軍機更連續(xù)三次從芷江機場派飛機奇襲湖北的日軍機場，炸毀敵機160余架，全殲日軍第48飛行隊，奪得中南地區(qū)的制空權。日軍為奪取芷江機場，曾發(fā)動“芷江攻略戰(zhàn)”，中國軍隊對此組織了進攻性防御，很快贏得了這場抗戰(zhàn)中最后一次會戰(zhàn)的勝利。

1944年底，中美空軍已經完全取得了制空權。湘西芷江空軍第9總站轄湖南西部、四川東部和貴州東北地區(qū)若干機場，與貴州的94站、四川的110站成掎角之勢，成為空中反攻的橋頭堡。

1945年3月，中方又新建了鳳翔白村機場；4月，中國空軍更以芷江為中心，緊急開辟了安江、隆回魏家塅和桃源麥家河等臨時機場；而閩西長汀機場經第二次擴建，成為聯通東南各省和西南、西北大后方的戰(zhàn)略要地。

1945年8月15日，日本宣布無條件投降。抗戰(zhàn)8年中，中國空軍共擊落日機1543架，擊傷330架。出動轟炸、驅逐、偵察、運輸等飛機計18500架，作戰(zhàn)達4027次，完成了出擊、制空、偵察、防空等任務，為抗戰(zhàn)勝利做出了卓越貢獻。