1937年11月，南京保卫战期间，国民政府机关迁往陪都重庆，军事委员会迁至武汉。蒋介石由南昌飞抵武汉，在交通银行设立临时办公处，作保卫武汉的战略部署。国民党高级将领也云集武汉。武汉骤然成为中**事、政治中心，国民政府的领导中枢。
12月13日，日军攻占南京后，日本政府认为，只要攻占武汉，控制中原，既可迫使中国政府屈服，就能支配全中国。为此，日方决定采取政治诱降和军事进攻，双管齐下两者并用的对华政策，一边在占领区加速成立傀儡政权，以促进蒋介石政权实质性的崩溃；一边调集兵力准备进攻武汉，摧毁蒋介石政权最后统一中枢武汉。
1938年1月6日，日军数十架驱逐机和轰炸机便飞抵武汉上空，编队超低空飞行，不可一世地盘旋一周之后，开始投弹扫射。飞机声、机枪声、爆炸声，填满了武汉三镇的空间。这一天，100多无辜平民惨遭伤害，连蒋介石的珞珈山寓所也遭到轰炸。
宋美龄一手扶植起来的中国空军，在蒋介石严令和空军委员会主任钱大钧策划下，由空军副总指挥毛邦初具体负责，紧张地部署保卫武汉的空中决战。毛邦初亲到襄樊、衡阳、长沙各机场，将战斗机一律调到了武汉周围。
那时中国自己造不出飞机，全靠美国和苏联大力援助。特别是苏联，从1937年底陆续将200多架战斗机，通过兰州机场交给了中国。而由库里申科和拉赫曼诺夫率领的空军志愿队，更是一群骁勇无敌的空中战将。这些反法西斯国际主义战士大部分捐躯在中国战场，包括库氏和拉氏，仅武汉的一处墓地，就埋着15位俄罗斯热血青年。
从九江、黄石到武汉，沿线的监控电台24小时值班。当合肥、湖口等日军基地飞机起飞时，一有图谋武汉的迹象，武汉三镇的空袭警报便哇哇大叫起来。武汉的南湖、汉口的王家墩等机场的飞机也紧急发动，中国空军逐次飞向蓝天准备迎战。
第一次空战发生在2月18日。从这天早晨6时起，皖赣前线就不断传来敌情通报。汉口江汉关码头日清公司三楼上的航空委员会军令厅作战室，毛邦初和他的幕僚们为前线的电报紧张得喘不过气来。毛邦初接过军令厅副厅长张有谷的电报，瞟了一眼，一拳头砸在桌案上，大吼一声：“命令第三、第四大队，准备战斗！”
这时近40架日机沿着长江溯江而上，十多架轰炸机在中空翱翔，20多架战斗机升在高空，大摇大摆地飞向武汉上空。出发前，日机大队长交代：“我们的任务不是销毁弹药，是以武力威逼迫蒋介石投降！所以，诸君的攻击对象是中国‘秽多’（穷苦百姓）！是以死亡摧毁其精神防线！”
中国空军第3、第4大队分别从孝感、汉口机场起飞，26架苏式战斗机和27架美式战斗机，在空中准备迎战。近百架飞机在武汉上空绞杀一团。上下翻飞，你追我赶，机枪吐火舌，伤机冒白烟。中国飞行员吴鼎臣，是昨天刚从襄樊机场随飞行队飞抵汉口的。
起飞前，毛邦初对飞行员万分期待地说：“同志们，敌机几乎天天来武汉轰炸，武汉是我们的抗战中心，为了鼓舞武汉人民抗日斗志，委员长迫切希望能打掉敌人的嚣张气焰！”
这一仗空军第4大队飞行员英勇奋战，一举击落敌机13架。武汉三镇市民翘首观战，受到极大鼓舞。
4月下旬，孝感空军基地一架战斗机试飞中，偶然发现一架日军侦察机在低空飞行，基地指挥部闻报即令追击，务必将敌机击落。中国空军试飞机奉命追击，终将敌机击落。
指挥部接到捷报，当即驱车前往敌机坠落地点。从敌机残骸处发现日机驾驶员所佩戴的金质领章，证明是一个高级军官亲自前来侦察。在死者一本日记中得悉一重要情报：4月29日，是日本帝国天皇生日，谓之“天长节”。日本军阀为了讨好天皇，决定在这一天对武汉三镇进行轰炸，用中国人民的生命财产，来为天皇“祝寿”，足见其惨无人道！该侦察机就是为这个目的，前来为这次大轰炸预先侦察，选定轰炸目标的。
空军指挥部将此情报立即上报，最高统帅部当即命令空军做好迎战准备。空军接到命令，各基地都积极准备，一部分苏联空军志愿队员也奋勇参加备战。
4月29日上午，日军果然按计划飞来轰炸。敌机尚未到达武汉上空，空军已得到准确情报，各基地警报一响，战斗机群立即升空迎战。最高当局命令空军在每次起飞执行任务时，必须在武汉三镇上空低飞盘旋一周，以让武汉市民得以目睹，受到鼓舞。这一次出动几十架飞机，更要向市民大展空军雄风了。
空军的有利地势是高度，居高临下为优势。然而当中国飞机在三镇上空盘旋时，敌机已经临空。中国飞机再升高为时已晚。敌机以优势对中国飞机攻击，刚开始便击中两架。苏联飞行员经验较丰富、技巧较高明。迅速摆脱敌机追逐，升高以掩护中国飞行员冲出敌围，形势极快有了改变。日机多为轰炸机灵活性差，中国50多架战斗机迅速将敌机包围。敌我飞机100余架在武汉上空展开激战。
壮观的场面引得无数市民走出防空洞，站在街道或爬上房顶观看，高大建筑物上站满了人。市民都为空军飞行员英勇歼敌而拍手欢呼。
这一次空战约30分钟，共击落敌机23架，受伤多架。中国飞机损失五架。
激战中，中国空军飞行员陈怀民的飞机中弹起火后，却不及时跳伞求生，而是驾机向敌机撞去，与敌机同归而尽。中国空军飞行员英勇无畏的精神，震撼了日军。
这次空战给日军沉重打击，此后一个多月时间里，不敢再飞到武汉三镇肆孽，对稳定民心起了极大作用。