十三日，日本海军陆战队与中国军队第八十八师小规模的冲突发。下午二时，中国空军前敌总指挥周至柔下达了第一号空军作战命令，要求部队在十四日黄昏前做好出动的一切准备。
十四日晨七时，杭州笕桥机场，中国空军第三十五独立队的五架寇蒂斯BT-32型轰炸机起飞了——风急雨猛，云高三百米，在恶劣气象条件下，日军在等待天气好转，中国空军却果决地升空了——五架轰炸机成楔形队形，以一千五百米的高度，冒着日军密集的地面高射炮火，直扑公大纱厂的日军阵地和军械库，命中目标后全部安全返航，部分飞机机身上弹孔密布。
八时四十分，第二大队副大队长孙桐岗率领二十一架诺斯罗普-2E轻型轰炸机，携带十四枚二百五十公斤炸弹、七十枚五十公斤炸弹自广德机场起飞，兵分两路轰炸日军的公大机场、汇山码头以及吴淞口海面上的日军军舰。
轰炸机场和码头的飞机在八百米投弹，全部命中目标。轰炸吴淞口日军军舰的轰炸机，由于能见度很差，投弹后效果不详，但是被轰炸的日舰已经开始向长江入海口逃窜。返航时，二十一架轰炸机有六架因天气恶劣迫降其他机场，两个小时后全部归队。
九时二十分，第五大队大队长丁纪徐驾驶霍克式驱逐机，携带五百磅炸弹一枚，自扬州机场起飞，沿着长江寻找日舰，在南通附近江面发现日军驱逐舰一艘，俯冲投弹后，日舰舰尾中弹，随即沉没。
长谷川清没有想到中国空军能够不顾恶劣气象条件抢先下手了。当停泊在吴淞口外的第三舰队旗舰“出云”号受到攻击时，他决定不顾天气是否转好命令航空兵立即出击。
午后，在新一轮的轰炸中，中国空军第五大队、第二大队以及三十五队的飞机，先后轰炸了上海日军海军陆战队司令部和日军基地公大机场、汇山码头等地。日军显然加强了防空火力，第五大队被击落一架驱逐机，击伤两架；第二大队的轰炸机被击伤两架。
日军海军陆战队在大规模轰炸中伤亡惨重，因此不断呼叫空军请求援助。但是，第三舰队的空战飞机多是舰载飞机，由于风浪太大，舰载飞机无法在军舰上安全起降。长谷川清只好命令驻守台北的鹿屋航空队升空，拦截中国空军的轰炸机，摧毁上海周边中国空军的主要机场。
笕桥机场是中国航空学校所在地，也是中国空军在淞沪作战的主要基地，于是成为日军鹿屋航空队发动袭击的首选目标。
杭州上空，狂风暴雨。
中国空军第四大队，原定用于华北作战，已于八月四日飞抵周家口机场，但十三日那天接到命令：全队向杭州笕桥机场转场。十四日，大雨滂沱中，全队三十二架飞机有的无法起飞，有的因为跑道过于泥泞而发生事故，仅有二十七架战机安全飞抵笕桥。
刚刚着陆，敌机靠近机场的战斗警报就响了。大队长高志航命令全队紧急加油。没等全部飞机加油完毕，鹿屋航空队的九架飞机已经进入杭州空域。这些日式双翼轰炸机在风雨中努力保持着队形，摇摇晃晃地终于从雨云的缝隙中发现了笕桥机场。突然，他们看见中国空军的飞机迎面而来。首先紧急起飞的是大队长高志航和二十一队分队长谭文，两人当即将一架日军飞机击落。日机发觉中国空军在此有备，迅速拉升进入云层躲避，但第四大队升空的飞机已经追击而来。二十二队队长郑少愚在曹娥江上空追上了一架日机并将其击落，二十一队队长李桂丹和队员柳哲生、王文也合力击落一架日机。
3比0，在这场被后世命名为“笕桥空战”的淞沪上空中日双方第一次的空战中，中方大获全胜。
15日，在南京、上海、杭州等地，中日空军再次展开了大规模空战。中国空军全面出击，抗住了日机60余架的袭击，击落敌机17架。16日，华东地区的台风影响基本消除，日本航空母舰的飞机大批参战，中国空军遇到更大挑战。这一天，中国空军第3、第4、第5驱逐机大队再接再厉，击落敌机8架。
年轻的中国空军，竟然将木更津、鹿屋两个闻名于世的日军主力航空队装备最新式的轰炸机消灭过半，在日本引起震惊，联队长石井义被迫剖腹自杀。
国战之初，拿出自己大部空军实力的中国空军让日本报纸哀叹：“今日之中国，已非昔日之支那！”
而此时，位于四川成都机场的“航空义勇军”还在等待国府的军令，全部飞机已经加满油料，随时等待转场加入战场。
在开战数日中，空军战场占优，但地面战场却是惨遭失利。
14日，第88师开始对位于虹口拥有4000兵力的海军陆战队总部发起进攻，第88师264旅担任主攻，旅长黄梅兴亲临一线指挥，战至午时，敌寇败退，旅指挥部前移至爱国女校附近，不料遭遇日军炮轰，旅长黄梅兴及旅参谋主任邓洸三十余人殉难。
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