1937年12月，南京失守后，国民政府机关、军事委员会和中共代表团、八路军办事处等机构纷纷迁到武汉，武汉成为当时抗战的指挥中心。

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侵华日军积极策划进攻武汉，一方面派飞机对武汉狂轰滥炸，一方面派地面部队迅速推进。武汉当时是中国空军的重要基地之一。日军以近400架飞机连续轰炸武汉等地，欲夺取这一地区的制空权。

在武汉会战期间，装备处于劣势的中国空军在苏联志愿飞行队的配合下，在空中奋勇抵抗并多次击退了日军的进犯，还配合地面战斗频繁出击，轰炸和扫射溯长江而上的日军，取得了一系列辉煌战绩。

1938年1月5日，苏联空军志愿队100多人飞抵武汉，加入战斗序列，而在淞沪抗战和南京保卫战中遭受严重损失的中国空军也得到部分补充。

1938年2月18日上午9时许，日军出动38架各式飞机空袭武汉。李桂丹率领中国空军第四大队和苏联空军志愿队分别从汉口、孝感和南昌等地起飞迎击，迅速将敌机拦截在距离武汉市中心50至75公里的地带，并展开了激烈的厮杀。激战十几分钟，日机开始被击中坠落，日本指挥官金子隆司大尉也坠机身亡，其他则狼狈逃窜。

这一仗，中苏空军共击落敌机14架，取得了武汉保卫战中的首次空中胜利。不幸的是大队长李桂丹、中队长吕基淳和其他多名飞行员壮烈殉国。

2月21日，各界民众万余人举行集会和游行庆?？战?、追悼国疡。中共中央和驻武汉的第18集团军代表周恩来、董必武、叶剑英等出席集会并敬送挽联:

为五千年祖国英勇栖牲，功名不朽；有四百兆同胞艰辛奋斗，胜利可期。

4月20日，驻扎在孝感机场的一架中国空军战机在试飞中发现一架日军飞机，并将其击落，在检查敌机残骸时发现了日军近期准备发动新一轮空袭的重大情报。

果然，在4月29日下午，日军为庆祝天皇生日，特派佐世保十二航空队的39架飞机空袭武汉，目标是中国的空军基地和汉阳兵工厂。早已严阵以待的中国空军由毛稼初和董明德率领19架伊-15型战斗机，会同苏联飞行员图恩、别斯帕洛夫绷图斯等驾驶的45架战斗机占据了有利高度，奋起迎战。日军被打了个措手不及，半个小时后，中苏飞行员击落日机21架，打死飞行员50名，两名跳伞的飞行员被活捉。

5月31日，日军又卷土重来，以36架驱逐机和18架轰炸机再次进犯武汉。这次也不例外，日军重蹈前两次空战的结果，被中苏战鹰合力击落了14架。此后，中国空军在苏联志愿飞行队的配合下，接连取得了“七一六”“八三”和“八一八”等空战的胜利。

6月后，日本大本营下达命令，决定“以初秋为期，攻击武汉”，武汉保卫战进入了新的阶段。中国空军除保卫武汉上空外，还主动出击，打击南京、芜湖一带的日军飞机场和长江内的日军舰艇，破坏日军海陆空的“立体”进攻。此外，中国空军还不时直接打击日军地面部队，打击点主要选择日军的指挥部、车站、军用列车、仓库、浮桥、炮兵阵地、步兵集结点、机械化部队和行军队列，取得了相当的战果。据统计，从5月至10月，中国空军击落敌机60余架，炸沉炸伤敌大小军舰100余艘。