1937年7月7日，全面抗战爆发。7月下旬，为了抵御日军对华北的侵略，国民政府决定首先抢修华北地区的重要机场。但到了11月，随着日军对我国东南沿海地区攻势的增强，国民政府将力量转向苏州、嘉兴、杭州、芜湖、合肥等15个机场的建设，同时扩修两广和闽浙赣等地的28个机场。

1937年11月后，为帮助中国抗击日本侵略，苏联向中国援助飞机1235架，派遣2000余名飞行员来华，并在新疆建立航空学校，帮助中国培养飞行员和航空技术人员。国民政府则按照苏制飞机标准，在兰州设立空军第7总站，又在新疆等地建5座机场。随着日军侵略华中地区，国民政府开始在汉口、南昌、赣州、长沙、广州等地抢扩建一批机场；并调集人力物力，扩修合肥、安庆、九江、南昌、陇海线东部，信阳、驻马店和汉口中央航空学校机场。

武汉会战结束后，南昌机场等重要空军基地遭到日军破坏，中苏航空队被迫向后方移防。从1940年4月下旬开始，日军开始集中轰炸重庆等地的中国空军机场。随着苏德战争爆发，苏联对于中国的航空援助告一段落，中国空军多集中于西南西北地区的机场执行训练和警戒任务，反击日机的来袭。

太平洋战争爆发后，中国空军美国航空志愿队(即“飞虎队”)总部进驻昆明西郊的巫家坝机场。国民政府进一步加强了西南和西北地区空军地面设施建设，逐步建立起以昆明、成都为中心的西南机场群，以桂林、柳州、衡阳为基地的华南机场群，以芷江、恩施、来凤为基地的湘西和鄂西机场群，以及以兰州、老河口、汉中为基地的西北机场群。

1943年，中国空军开始转入反攻。常德会战时，中美空军开始以湖北、江西、四川等地机场为基地，配合中国地面部队的行动，轰炸日军主力部队、日军航空基地和设施。

为了对日本本土实施轰炸，根据中美协议，国民政府在四川实施“特种工程”，新建或扩建新津、邛崃、彭山、广汉4个大型轰炸机机场，以及华阳太平寺、双流马家寺、双桂寺、彭家场、成都凤凰山5个机场。1944年5月，工程如期完工，每个机场都配备了完备的配套设施，堪称当时世界上最先进的机场群之一。6月15日，美国轰炸机75架从四川的机场起飞，长途奔袭日本。此后美军的大型轰炸机频频从中国机场起飞，对日本本土持续轰炸。

为了夺取能用于轰炸日本本土的中国机场，日军发动进攻，夺取了7个中国空军基地和36个机场，但中国军民连续在西南山区抢建和扩建了一批新机场。而此时的日本无论是陆军还是空军，都已是强弩之末。就在衡阳沦陷后的第二天，陈纳德就率中美飞机飞到衡阳上空轰炸。此后，中美军机更连续三次从芷江机场派飞机奇袭湖北的日军机场，炸毁敌机160余架，全歼日军第48飞行队，夺得中南地区的制空权。日军为夺取芷江机场，曾发动“芷江攻略战”，中国军队对此组织了进攻性防御，很快赢得了这场抗战中最后一次会战的胜利。

1944年底，中美空军已经完全取得了制空权。湘西芷江空军第9总站辖湖南西部、四川东部和贵州东北地区若干机场，与贵州的94站、四川的110站成掎角之势，成为空中反攻的桥头堡。

1945年3月，中方又新建了凤翔白村机场；4月，中国空军更以芷江为中心，紧急开辟了安江、隆回魏家塅和桃源麦家河等临时机场；而闽西长汀机场经第二次扩建，成为联通东南各省和西南、西北大后方的战略要地。

1945年8月15日，日本宣布无条件投降。抗战8年中，中国空军共击落日机1543架，击伤330架。出动轰炸、驱逐、侦察、运输等飞机计18500架，作战达4027次，完成了出击、制空、侦察、防空等任务，为抗战胜利做出了卓越贡献。