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8月15日上午，日本木更津航空队出动飞机36架，首次空袭南京，妄图炸毁国民政府首都，给蒋介石点厉害看，毁灭中**民抗日自信心，并策应淞沪战场日军作战。36架飞机像一群乌鸦般飞临南京上空。防空警报骤然响起，中国空军勇士再一次驾机升空。
他们驾机在首都上空巡航一周，编成准备攻击的队形。由于中国空军首次空战胜利，南京民众胆气也壮起来。昔日听到警报就要躲藏，今日却走出家门进行观战。国民政府要员也表现出前所未有的镇静，站在办公楼前或官邸院内仰望天空，一睹中国空军英雄们的风采。
中国年轻的空军勇士们，再一次与日本木更津航空队激战。他们不怕负伤，不畏牺牲，越战越勇，越杀越精，不到20分钟，击落日机17架。中国空军损失四架。木更津航空队联队长石井大佐十分沮丧，阴沉着脸下了撤退令。
日本空军又一次惨败而归。
8月15日，日本空军首次空袭南京后，又连续两次对南京进行空袭。
8月17日，日本空军出动飞机34架袭击南京，中国空军急调飞机24架迎战，击落日机18架，中国空军损失五架。
8月19日，日本空军出动飞机32架袭击南京。中国空军从南京、句容等地急调21架飞机迎战，击落日机13架，击伤三架，中国四名飞行员牺牲。
五天内，日本空军三次大规模袭击南京，中国空军在三次空战**击落日机54架，未被击落的日军轰炸机也大多受损。于是日军对南京空袭被迫暂时停止。
几天后，日军又在夜间空袭南京。陈纳德想了个办法：集中所有的探照灯，将其分布在目标区域内，搜索出现在该区域上空的敌机。当敌机被探照灯照住时，就看不见攻击它的战机。中国飞机趁机沿着探照灯光柱冲上去，射击敌机的腹部，一举将敌机击落。
陈纳德来到机场，亲自教授飞行员如何在夜空攻击敌机。此法果然奏效！日机两次夜袭共来飞机18架，共被击落11架。日机夜袭受损惨重。日军又被迫停止夜间对南京空袭。
9月中旬，日本空军对南京进行大规模空袭，有时出动飞机四五十架之多；中国空军第4、第5大队均移至南京防空。10月12日，日军轰炸机九架，在六架驱逐机掩护下空袭南京。中国空军起飞八架迎战，击落日机三架。中国战机虽越来越少，却依然屡战屡胜。
日本人分析南京空袭失利的原因，间谍机关侦知：有美国人暗中相助，指挥中国空军。日本领事馆照会美国政府，要求在华美国空军人员立刻离开中国。美国国务院当即通知在华美国航空人员归国。领事馆威胁说，凡是拒绝执行此通知者，将要被逮捕送军事法庭审判，并将会失去美国公民权。
陈纳德让人转告领事馆：“只要中国境内的日本人有一天都被驱出，我就会很乐意地离开中国。”在蒋介石顾问端纳的帮助下，陈纳德和部分美国航空人员都留了下来。他们对中国人民抗战深表同情，而投身到抗日战火之中。