中国空军在兰州开设了基地和训练中心，设立了第四路司令部，也称兰州空军司令部，统一指挥和协调西北地区的防空作战。地勤补给系统在兰州设立了空军第七总站，又称兰州机场总站，下辖兰州拱星墩机场、东古城机场、西京城机场、中川机场和临洮机场。此外，还设立了空军第三工厂，负责修理各式飞机。

　　1938年冬天，中国空军总队从四川的梁山迁到兰州西京城，负责整训空军的各支战斗机队，同时换装和补充飞机。1939年初，中国空军驻防兰州的有第十五中队和第十七中队。担任防空任务的是中央防空学校炮兵团的一个营，驻防拱星敦和白塔山等机场，配备了四门射程约为五千米的苏制大口径高射炮，六门射程约为两千米的德制苏罗通高射炮，以及三十多挺高射机枪。这些高射武器构成严密的对空火力网，配合空军保卫兰州。

　　日军非常明白兰州对于中国空军的重要性，在卢沟桥事变后不到四个月就开始空袭兰州。1937年11月5日，七架日机在兰州东郊的拱星敦机场投下几枚炸弹，然后离去。12月4日上午7点半，日军管久少佐率领十一架飞机从北平南苑机场起飞，经由山西、陕西和宁夏，转道靖远，飞到兰州上空，往拱星敦机场投下九枚炸弹，炸死中国军民两人，炸伤四人。中国空军的苏制И-16战斗机队起飞迎战，高射炮开炮阻截，揭开了兰州上空保卫战的第一页。两天后，中国战斗机队在甘草店上空将来犯的七架日机赶走。

　　日军轰炸兰州的企图十分迫切，日机空袭兰州次数密集，机数逐次增多。第二年1月21日，五架日机空袭兰州，2月20日，十八架日机空袭兰州，23日，三十六架日机空袭兰州。

　　中苏空军奋力阻击，地面炮火交叉射击，日军轰炸兰州的目的无法得逞。这一年11月15日，日军驻包头的第十二重型轰炸机队，在拂晓出动五架轰炸机空袭兰州，又遭到中国空军和高射炮部队的有力阻截。日军感到很难突破兰州地区的对空防护。

　　日军不相信有自己办不到的事情，下决心要摧毁兰州的中国空军力量。1939年1月底，他们把陆军第一飞行团调到山西运城。为了隐蔽攻击兰州的企图，这个飞行团于2月6日派出服部武士的第九十八机队轰炸洛阳，田中友道的第六十机队轰炸西安。这两个机队在9日又轰炸了宝鸡市西北约一百三十公里的平凉等地。

　　7日，日军第一飞行团集结完毕，下达了攻击兰州的命令，确定作战时间为11日，这是大约两千五百八十年前日本第一代皇帝神武天皇登基的日子。但是这一天天气不适，日军只好将攻击日期顺延一天。日军明确下达了作战任务，主攻目标为兰州东机场，预攻目标为兰州市区。日军指挥员提醒飞行员：兰州地区驻有大约七十架中国战斗机，各机群要做好大打空战的准备，务必歼灭中国的作战飞机。日军担任攻击的机队，河岛庆吾的第十二机队包括九架意大利菲亚特重型轰炸机，田中友道机队包括十二架九七式重型轰炸机，服部武士机队包括八架意大利菲亚特重型轰炸机。

　　为了达成预定的轰炸密度，日军的每一架意式轰炸机都载有六枚五十公斤级的爆破弹，每一架九七式重型轰炸机都载有十二枚五十公斤级炸弹。

　　为策应轰炸机作战，今川一策的第五十九战斗机队，主力担任运城机场的防空，其余战机与轰炸机队同时起飞，在轰炸机航线南侧的西安和宝鸡地区，牵制中国的空军机队。

　　预定轰炸兰州的时间为下午1点。12日上午10点半，日军三个轰炸机队的二十九架飞机从运城机场起飞，直扑兰州。

　　由于领航判断失误，先遣的河岛轰炸机队的九架飞机，全部向北偏航，将兰州东北约一百公里外的祖厉河，误认为兰州以南的洮河，将靖远县城误认为兰州，便将五十四枚五十公斤级炸弹全部投了下去。

　　其余二十架轰炸机于下午2点到达兰州上空，展开轰炸。担任空中阻击的中国空军第十七中队直到这时才发现市区内有大量烟尘升起，而日军机群的位置竟比自己更高，于是纷纷提升高度追击日机，但为时已晚，未能创下战绩。全体飞行员觉得脸上无光，憋着一口气，准备下次与日机大战一场。

　　几天后，日军第一飞行团决定发动该年度对兰州的第二次空袭。作战任务除河岛轰炸机队改为袭击兰州西机场外，其他两个机队任务不变。

　　20日12点45分，日军三十架轰炸机先后起飞。下午3点40分，服部机队的九架轰炸机升到四千米高度，排列成三个品字形，从黄河铁桥上空进入兰州空域，中国空军战斗机总队部总队长毛源初率领第五大队第十七中队的十二架苏制И-15和И-16战斗机拦截攻击。第五大队的岑泽级大队长，首先将日军领队机击落。接着，日军僚机被第十七中队副队长马国廉击中坠毁。陈耀南死死咬住三架日机射击，直到看见日机落地着火为止。

　　下午3点50分，日军第二梯队田中机队的十二架轰炸机，刚刚进入兰州空域，便遭到苏联空军志愿队十四架战斗机的围攻。日军机群慌忙将一百四十四枚五十公斤级的炸弹胡乱投下，夺路而逃。

　　日军第三梯队河岛机队的九架轰炸机，在兰州城内和西古城机场投弹完毕，正要返航，在机场东北角被中国空军第十七中队拦住，双方展开空中激战。

　　这次空战，中国空军共击落八架日机，白塔山的苏罗通高射炮击落一架，苏联志愿队损失一架飞机。日军向上司谎报击落中国飞机三十六架，而上司信以为真，根据这项离谱的战绩进行评估，认为兰州的中国空军力量已经瓦解，于是将第三次攻击目标从机场改为兰州市中区的中国第八战区长官公署。

　　23日，日军发动第三次空袭。他们改变花样，在发动进攻前一个半小时，以上次轰炸中受到重创的服部机队执行佯攻，轰炸兰州以东约二百六十公里的平凉，然后轰炸宝鸡，企图迫使兰州地区的中国战机提前升高，消耗油料，日军河岛机队和田中机队再乘机轰炸兰州。

　　河岛机队八架轰炸机和佐濑育三第六十机队的十二架轰炸机，从运城出发，分别于下午2点53分和2点54分侵入兰州上空。中国空军第十五中队的三架苏制И-15战斗机，分别由余平想副队长和李德标、陈崇文驾驶，首先冲向日军机群。接着，第十七中队和苏联志愿队的二十八架战机从四面八方向日军机群展开攻击。

　　日军机群见势不妙，立即丢下炸弹返航。佐濑机队的九七式重型轰炸机具有转弯灵活和速度上的优势，遍体鳞伤地逃出遭到围攻的空域。河岛机队的意制菲亚特BR-20型轰炸机却很笨重，遭到中国空军和苏联志愿队的沉重打击。这一仗，中国空军击落六架日机，击伤其余的所有日机，对其中一架射中了一百五十三发子弹。

　　日军轰炸机对兰州市区的毁坏是严重的。日机投下的炸弹命中了兰州的唐代著名佛教丛林普昭寺，藏经楼保存的《大藏经》六千三百五十八卷全被烧毁，寺内的悟明方丈与和尚都被炸死。此外，嘉福寺、东华观和柏通路、道升巷的古建筑，都变成一片废墟。毁损严重的还有市内的贡元巷、新关街、西北新村、南街和东大街。

　　日军第一飞行团总结这几次轰炸失利的原因，认为轰炸机进入的方向少，容易遭到中国空军战斗机集中攻击，而队形又很零乱，常被各个击破。日军甚至开始检讨兰州空战的必要性。他们认为，日军现有的重型轰炸机，在一般气象条件下编队远航，实施轰炸，没有战斗机的直接掩护，不但很难完成战术或战役任务，而且会受到很大损害。对重要目标的轰炸，如果在白天有利的气象条件下进行，对方就能充分发挥战斗机和高射炮的作用。中国空军在兰州地区占有优势，不仅因为气象条件有利，还因为这里是苏联空军志愿队的中心基地，能够源源不断地补充人力和装备。日军是否有必要动用有限的远程轰炸航空力量，在此刻与中国空军进行得不偿失的消耗战呢？

　　日本空军在兰州接连惨败，被迫于2月23日决定停止对兰州的空袭。

　　2月20日和23日的兰州大空战，中国空军共击落十五架日机，这是自武汉和广州失守以后，中国军队在战场上取得的最大一次胜利，鼓舞了中国民众的抗战意志。

　　27日，《新华日报》发表短评，题为《给敌空军更大的打击》，全文如下：

　　昨我空军发言人说，敌大本营于1月20日公布，自侵华战争以来，敌空军损失惨重，截至去年年底，已达一千零八架，平均每月损失五十六架以上。或者说，平均每天损失两架。这证明我空军的英勇，正像苏联《红星报》所说：“由中国空军的例子可以看出，空军数量虽小，但机型最为完善，在空战中亦能制胜。”

　　最近兰州空战，我空军一再告捷，更说明了我数量较少而英勇的空军，战斗力在日益增强中。我们对英勇善战的空军，予最崇高的敬礼，并希望政府能实现参政会第三次大会所通过的加紧扩大空军建设案，尽速地增强空军，给敌寇以致命的打击！