首批隊員從美國啟程，經澳大利亞、新加坡抵達緬甸。他們是由110名飛行員和150名機械師、醫生等地勤人員組成的。8月1日，正式成立了中國空軍美國志願隊，下轄3個驅逐機中隊，在緬甸的東瓜（同古）開始了訓練。1941年12月20日，10架日本三菱轟炸機襲擊昆明。這時，美國志願隊已完成訓練，第1、第2中隊起飛24架P—40型飛機迎擊日機，將其擊落6架，首戰告捷。美國志願隊僅有100架美製P—40型驅逐機和少量轟炸機，但他們主動出擊，機動靈活地作戰，打破了1940年秋季以來日軍航空兵獨霸中國空域的局面。1942年7月，美國志願隊納入現役，改稱美國駐華空軍特遣隊；1943年3月，再次擴編為美國第14航空隊，裝備了一批新式驅逐機並組建了一支B—24型重轟炸機隊。據統計，從1941年12月至1943年6月，美國志願隊共出擊102次計512架次，擊落日機193架，擊毀日機75架、卡車112輛、倉庫15座。＇《中國空軍美國志願大隊戰史紀要》，中國第二歷史檔案館館藏，787～16908。＇
同一時期，中國空軍在美國援助下得到新的發展。至1941年底，作戰部隊為7個大隊（第11、第12大隊和1個獨立中隊因全訓未計入在內），共有各型飛機364架。P—40型新機10O 架，撥交美志願隊使用。1942年3月開始，從美國購買的新機陸續到達，中國空軍各部隊抽派人員分批赴美國和印度受訓及接收新機；7月以後，訓練完成，相繼飛返國內，到1942年底為止，共接收美製B—29型轟炸機19架、P—40型驅逐機27架、P—43型驅逐機41架、P—66型驅逐機82架；作戰部隊仍為7個大隊、1個偵察中隊及1個美國志願大隊，備型飛機總共337架。
日本於1941年12月8日發動太平洋戰爭後，戰線拉長，將駐留在中國的飛機大批調往越南、泰國及緬甸一帶，以應西南太平洋方面作地的需要。
1942年全年在中國的飛機平均僅有270架，最多時為370架，其中主要是陸軍航空隊飛機。因此，日軍航空隊對中國的作戰，也由原先的政略轟炸為主、戰略轟炸為輔，改為以戰略轟炸為主、政略轟炸為輔；轟炸範圍集中於湘、桂、浙、贛及滇西等地；轟炸目際主要為軍事設施。
由於日軍航空隊改變了作戰策略，減少了空襲和空戰，中國空軍的主要任務轉為支援陸軍作戰。1941年12月，日軍發動了第三次長沙作戰。中國空軍為支援陸軍守衛長沙，於1942年1月8日從成都起飛9架蘇制轟炸機，至長沙以北長樂街轟炸，切斷敵軍退路。在返航時遭8架日機攻擊，中國轟炸機編隊邊戰邊退，激戰20分鐘，以損失兩架的代價，擊落日機1架，擊傷兩架，創下了以轟炸機擊落驅逐機的先例。在5月的滇西戰役中，為防止日軍強渡怒江，確保雲南的安全，從5月7日起，中國空軍連續出動20多次，轟炸掃射滇緬邊境地區的臘戍、芒市、惠通橋、龍陵等地日軍。美國志願隊也派出8架P—40型飛機，攜帶570磅炸彈，連續3天轟炸掃射怒江峽谷和狹窄山道上的日軍，使其無法架橋而退回龍陵。此後兩年中，中日雙方長期在怒江對峙，日軍始終未能越過怒江天險。為配合美、英盟軍，鉗制日軍在東南亞的活動，中國空軍和美國志願隊並肩作戰，於1942年1月28日和24日兩次飛赴越南，轟炸日軍機場。中國空軍當局獲悉，日軍為加緊攻佔南洋，以越南的嘉林機場為主要基地，集結陸海軍航空隊飛機共450架，遂決定以中國空軍第1、第2大隊轟炸機18架，以美國志願隊P—40型機9架擔任掩護，對該基地進行襲擊。飛抵目標區後，因雲霧遮蔽，轟炸成果不詳。第2次以同樣兵力轟炸該機場，仍有云霧遮蔽，使用計時轟炸法投彈後返航。此次前往越南轟炸日軍機場，是中國空軍的創舉，計時轟炸法亦屬首次使用。
在中國空軍和美國駐華空軍力量加強之際，日軍航空兵則呈衰敗之勢。
1942年5～6月間，美日在珊湖海和中途島進行兩次大海戰，日軍共損失了5艘航空母艦、385架作戰飛機和大批飛行員。＇《簡明日本戰史》，軍事科學出版社，1989年中譯本，第182、186頁。＇ 其優勢已不復存在，制空權和制海權也逐漸喪失。太平洋戰場的變化，也對中國空中戰場產生了重要影響。同年7～8月間，中美空軍聯合開闢了飛越駝峰的中印航線，使中國有了一條從西方國家獲得戰略物資的空中通道。中美空軍不斷得到補充，空戰日趨主動。他們