抗战爆发时，中国空军的兵力共有9个大队以及若干个中队，共有305架飞机，抗战爆发后，中国空军主力大部分都是在淞沪南京地区作战。但随着日军侵入华北腹地，部分中国空军也北上支援，以劣势的兵力保卫着华北的领空。 9月14日，中国空军集中第7大队，以及27，28中队，驻扎西安，洛阳，南阳等地的机场。此时，日军已经侵入山西占领大同，并且沿平汉铁路南下。9月14日，中国空军在华北首次出战，第7大队出动9架O3U型侦察轰炸机空袭大同，之后几天因为天气原因没有出自动。9月20日，第27中队也出动3架雪莱克攻击机，在广灵到蔚县的公路上攻击日军辎重运输队，日军地面的防空火力猛烈还击，两架攻击机受损迫降。 9月24日和27日，中国空军再次出动多架战机空袭平型关的日军运输队，取得一定的战果，日军战史记载，中国空军的轰炸导致日军滨田联队缺乏弹药被迫停止攻击。28日，中国空军5架战机再次对平型关日军阵地猛烈空袭，投下炸弹49枚，摧毁了日军的炮兵阵地，30多名日军伤亡，物资和马匹也有大量损失。 9月30日，第7大队出动3架飞机空袭平汉线上的保定，将炸弹全部投到保定车站的目标上，附近日军高射炮兵的阵地也遭到轰炸，20名日军毙命，装备也损失惨重。同日，27中队出动4架雪莱克攻击机，袭击了繁峙、茹越口的日军16联队阵地，炸毙伊藤中队长以下多人。 进入10月后，日军航空兵频繁出击，对中国空军的行动造成了很大的影响，但中国空军依然坚持战斗。12日，第7大队出动4架战机，空袭原平附近的日军，日军筱原兵团的炮兵受到重创，死伤数十人，第5师团的辎重部队也遭到了打击，中国空军也损失了一架战机和两名飞行员。后来忻口会战期间，中国空军继续反复出击。22日，第7大队的5架战机从洛阳起飞沿着平汉线搜索，空袭双庙车站，炸死炸伤车站内日军作业的工兵32人，车站设施也遭到一定损伤。29日，中国空军9架战机再次攻击原平，但遭日军航空兵伏击，多架战机受损。 11月后，日军占领了华北大部分的机场，中国空军在多次战斗后也实力大减，战机损失巨大，已经很难进行有效出击。残余的中国空军撤退到华中地区休整，华北上空的作战遂渐渐告一段落。
