自1939年到1941年期间，中国空军迎来了最为艰难的三年。这期间，中国空军几乎无力再进行大规模作战。同时，日本新式战机——“零式”战机投入使用，中国的落后机型面对这种战机时几乎没有还手之力。1941年3月，中国空军第五大队34架飞机迎战日本12架零式战机，结果被击落13架，击伤11架，而日机则仅有少量损失。第五大队因此被撤销番号，改名“无名大队”，队员胸前要佩戴“耻”字胸章。至1941年夏，中国空军消耗到仅存65架飞机。此时，苏联志愿航空队也奉命撤回，中国空军再一次面临山穷水尽的地步。

日军利用空中优势，在重庆、昆明等中国后方军政要地如入无人之境，进行狂轰滥炸，因为日军的空袭，中国军民死伤惨重，甚至发生了因躲避空袭而造成上万人窒息死亡的“重庆大隧道惨案”。

1941年冬，美国空军教官陈纳德率领自己招募组建的美国志愿航空队到昆明参战。开战第一天，已经许久未见中国战机的日本飞机遭到重创。此后，陈纳德的机队屡创空战佳绩，因其英勇神猛而被民间称为“飞虎队”。至1942年7月，飞虎队被并入美国陆军航空队，后在滇缅公路中断的危急情况之下，开辟中印之间著名的“驼峰航线”，用空运维持中国战略物资的运输。

1942年，也是中国空军的转折点。随着新一批空军培训完毕，同时接受了大批美式轰炸机和歼击机，中国空军重新与日军展开激战，并且逐步取得制空权，1944年，完全取得主动。1945年8月14日，中国空军第五大队飞行员沈昌德从湖南芷江机场起飞，完成了中国空军在抗战中的最后一次作战任务。次日，日本宣布无条件投降。

根据统计，抗战8年中，中国空军共击落击毁敌机1226架、击伤炸伤敌机230架、炸毁炸伤敌坦克车辆8546辆，而自己则损失各种飞机2468架，6164人殉国。

(本文写作参考了《国民党空军抗战实录》、《中国空军抗战史》等书籍，特此向相关作者致谢)