1950年9月15日，以美国为首的“联合国军”在仁川登陆，10月7日越过“三八线”向中朝边境逼近，并不断派遣飞机侵犯中国领空，轰炸我边境城镇，战火已经燃到祖国境内。
中国人民志愿军入朝参战后，美军在陆上作战连遭败绩。为了挽救其地面部队的不利处境，美国便派遣空军轰炸中朝军队集团和后方交通线，给志愿军的作战行动造成困难。志愿军决定组建志愿军空军，由中国人民解放军航空兵部队的志愿人员组成。经过仓促准备，1950年12月21日，第一支志愿军空军的部队——歼击航空兵第4师第10团第28大队由师长方子翼率领，进驻安东（今丹东，下同）。从此开始了志愿军空军英勇奋战，震惊中外的战史。
第28大队这支小小的部队面临的形势是十分严峻的。当时侵朝美空军和海军的作战飞机达1100余架，还有英、澳、南非及南朝鲜空军飞机百余架。他们的飞行员有许多参加过第二次世界大战，飞行时间平均600小时，多的达3000小时，还包括一批有丰富作战经验的所谓“王牌”飞行员。志愿军空军当时刚组建了两个师加两个团，作战飞机不到200架。飞行员的飞行时间平均不过200多小时，其中喷气式飞机上的飞行时间平均只有15小时，没有空战经验。指挥机构不健全，指挥员和参谋人员都缺乏组织空中作战的经验。敌我力量如此悬殊，在空战史上是罕见的。
志愿军空军的任务是夺取制空权、防空作战和直接支援地面军队作战。为了实施后一个任务，必须建立前进基地。志愿军入朝后，随着地面军队的推进，先后在朝鲜北部抢修过17个机场。但由于没有制空权，每当机场修成尚未投入使用就被美机轰炸破坏，无法进驻部队，因而志愿军空军不得不使用国内的机场。缺乏前进机场就无法遂行直接支援地面军队的任务，夺取制空权的斗争也受飞机作战半径的限制，不能深入到敌战线后方。
第28大队进驻安东后，先在友空军的带领下进行实战锻炼，摸索经验。他们研究了敌人活动的特点，拟定作战方案，进行战区熟悉飞行。1951年1月21日清晨，大队长李汉奉命率6架飞机升空作战，目标是正在轰炸清川江大桥的20架美国的F-84喷气式战斗轰炸机。他们在地面指挥所引导下，迅速找到目标。李汉见敌机正在肆虐，大桥周围浓烟滚滚，不禁怒火中烧，不加思索，大喝一声“跟我来”，就带头向敌机群冲去。敌机面对这意外的袭击甚感惊恐，队形迅速四散，但旋即恢复战斗，李汉等6机陷入重围。在苦斗中，李汉咬住其中2架敌机，一阵炮击，击中1架，其余敌机望风丧胆，仓惶南逃。
第一次空战虽然取得击伤1架F-84飞机的战果，也反映出不少问题。第28大队的飞行员是来自陆军的优秀战士，有高度的政治觉悟，作战勇敢，但毕竟技术上和战术上都不成熟。作为空中指挥员，李汉只顾自己猛冲猛打，忽略了指挥，未能发挥编队协同作战的威力。第二次作战，这个缺点有所克服，取得更好的成绩。8天以后，即1月29日下午，雷达发现有一批美机在定州、安州一带活动，李汉率两个中队迎敌，在定州西面发现敌F-84飞机16架分上下两层，高度分别为6000和5000米。这时李汉大队在地面引导下已占据高度优势，当即决定集中兵力先打上层8架，由2中队掩护，李汉自率1中队攻击。敌机遭到突然袭击，慌忙投弃副油箱，掉转机头扑向我机。李汉毫不畏惧也向敌机对头冲过去。对头攻击是意志的考验，在相距1000多米，也就是再过两秒钟就要双机相撞时，敌人胆怯了，为首的敌机向右侧规避，这就给李汉一个尾后攻击的机会，把敌机套进了瞄准具光环。这时其余敌机转到李汉后方，企图偷袭，但1中队的另外3架飞机上前迎战，迅速将敌机驱走。李汉在战友的掩护下，跟踪瞄准到400米的距离，三炮齐发，一下射出40余发炮弹，敌机顿时粉身碎骨，掉进了大海，首创击落敌机的记录。这时副大队长李宪刚率领的2中队也把其余8架敌机打跑。李汉率部将敌机逐至海上，又迅即找到战机，将1架F-84击伤。这一天取得击落击伤敌机各1架，自己无一伤亡的战果，而且空中指挥和编队协同有明显进步。胜利的消息传遍全军，也传到祖国各地，人心振奋，特别是大大地增强了志愿军空军空战歼敌的信心。志愿军空军首战告捷的胜利也证明了美国的空军也和它的陆军一样，是可以战胜的。
1951年6月，朝鲜战场经过五次战役，战线稳定在“三八线”附近，美方被迫与中朝方面开始停战谈判。为了取得谈判的有利地位，美国企图通过空中优势对我施加压力。侵朝美军的作战飞机增加到1400多架，拟订了“空中封锁铁路线”，也就是“绞杀战”计划。“联合国军”总司令李奇微在命令中要求“在谈判期间采取行动，以充分发挥空中力量的全部能力”，“不让敌人有再发动一次决定性地面进攻的能力”。
8月中旬美国空军趁朝鲜北部特大洪水泛滥之机，用大量兵力破坏铁路线，对新义州经新安州至沙里院的双轨铁路干线和熙川经军隅里至平壤的单轨铁路干线昼夜不停地反复轰炸。志愿军空军从9月起以师为单位轮番进入一线机场参战，并承担了反敌空中封锁的任务。
经过初战锻炼的志愿军空军第4师于9月12日再次进驻安东。志愿军空军司令员刘震要求该师积极打敌大机群，以求进一步提高战斗力。9月份在朝鲜上空发生了大规模空战，从中旬开始，敌我双方都采用数10架飞机的大编队和100多架飞机的大机群作战。9月25、26、27日三天的空战最为激烈。9月25日，第4师和友空军一起出动100余架飞机，同袭击清川江桥的100余架美机激战。第12团大队长李永泰遭10多架F-86飞机围攻，军械系统被破坏，只能用猛烈的机动动作在敌阵中左冲右突，多次向威胁最大的敌机猛冲，终于突围。这时其飞机中弹30余发，受伤56处，但仍安全返航。在以后的战斗中，他先后击落了4架F-86飞机。飞行员刘涌泉为掩护长机，单机与敌6架F-86飞机激战，击落其中1架，首开打下美国最新式的“佩刀”式飞机的记录，自己壮烈牺牲。9月26日和27日都有大规模空战。美国空军第5航空队称：“这三天的战斗是历史上时间最长、规模最大的喷气式飞机的战役”。志愿军空军第4师在9月26日起的5天内击落美机26架、击伤8架。10月2日，毛泽东主席在作战报告上批示赞扬道：“空四师奋勇作战，甚好甚慰……”。
10月份第4师连续进行了六次大规模空战，其中5日击落美F-80飞机3架、击伤2架；10日击落F-80飞机4架、击伤1架。第12团第2大队队长华龙毅在10日的战斗中击落美机2架。在16日的空战中，他单机被14架敌机包围，其座舱被击中，手臂负伤，但仍击落击伤美机各1架。
10月20日，第4师回二线休整，第3师开赴前线接替。11月第2师和第14师也先后到一线参战。11月2至10日，第3师在五次小规模空战中击落美机8架。大队长刘玉堤击落击伤敌视各2架，副大队长赵宝桐击落美机2架。11月16日起开始与美空军大机群作战。11月18日下午美机184架，一部分活动于永柔地区，另一部分窜至安州、清川江一带，对铁路目标轰炸扫射，第3师第9团起飞迎击。第1大队队长王海率6机到达清川江上空，发现60多架F-84飞机在投弹，立即冲向敌阵，经一番猛攻，他和僚机焦景文各击落美机2架，第9团共击落敌机6架。该团第1大队在抗美援朝作战中，空战80余次，击落击伤美机29架，荣立集体一等功。“英勇的王海大队”名扬海内外。
11月23日第3师第7团20架米格飞机与美20余架F-84飞机空战，击落击伤美机8架，其中刘玉堤在一次空战中击落美机4架。12月2日、5日、8日连续3天双方进行有300架飞机的大空战，每战都给美国空军以沉重打击。美国空军参谋长惊呼：“共产党中国几乎在一夜之间变成了世界主要空军强国之一”。
第3师轮战86天，击落击伤美机64架。1952年2月1日毛主席写了向志愿军空军第3师致祝贺的勉词。
在此期间，志愿军空军第6师、第15师先后参战。志愿军空军大批部队投入战斗，夺取了清川江以北地区的局部制空权，美军将该地区称为“米格走廊”，被迫放弃对该地区铁路线的轰炸行动，战斗轰炸机的活动范围退到平壤以南。1952年初，美国空军第5航空队承认“米格曾经把战斗轰炸机逐回清川江以南”。
1952年春，美国空军又对新安州至南市洞、顺川至熙川两条铁路线段发动了不分昼夜连续突击的所谓“饱和轰炸”。但在志愿军空军和高射炮兵的积极反击下，为时两个月的“饱和轰炸”同样没有取得多大效果。到1952年6月，历时10个月的“绞杀战”终于以失败而告终。美国海军陆战队司令薛佛德说；“人们已经承认绞杀战是失败了”。
在反“绞杀战”过程中，志愿军空军第4师大队长张积慧在空战中击落美国空军少校中队长、“王牌”飞行员乔治·戴维斯，在美国引起巨大震惊。
1952年2月10日上午，美机数批先后侵入平壤、沙里院和价川地区，其中有两批F-84、F-80战斗轰炸机共16架，在18架F-86战斗机掩护下，轰炸军隅里附近的铁路交通线。志愿军空军第4师起飞34架米格-15迎击。第12团第3大队队长张积慧和僚机单志玉发现远方海面有敌机，当即报告空中指挥员，并投弃副油箱爬高，准备迎敌。在爬高中丢失目标，又脱离编队。这时在右后方云层间隙中有8架敌机直窜下来，为首2架已到他们双机的尾后，张积慧猛烈右转上升，使美机扑空，冲了过去。张积慧趁机占据美机长机的尾后。美机急忙摆脱，先作急俯冲，又向太阳方向垂直上升，然后又转入俯冲。张积慧紧追不舍，逐步逼近，终于在600米距离上三炮齐发，将美机击中，坠地烧毁。一分钟后，他又攻击第二架美机。这架飞机也使出浑身解数，力求摆脱，但仍被张积慧击中，该机凌空爆炸，人机俱毁。
空战结束后，志愿军空军从美机残骸中找到乔治·戴维斯的证章。接着美国报纸也证实了被击落的正是被美国空军推崇为“空中英雄”的戴维斯少校。戴维斯曾在第二次世界大战中参加过266次战斗飞行，飞行总时间超过3000小时，号称美国投入朝鲜战争的“王牌”飞行员。如今被中国飞行员击落，引起美国朝野一片喧哗，美国军方十分难堪。美国远东空军司令威兰发表特别声明，承认这是对远东空军的“一大打击”，“是一个悲惨的损失。”
朝鲜北部西海岸附近有几个小岛，叫做椒岛、大和岛、小和岛等，离鸭绿江口不到70公里，岛上有敌人的情报机构，设有大功率雷达和侦听设备，专门收集我空军活动情况。1951年11月志愿军在反“绞杀战”中，决定派遣轰炸航空兵配合地面部队攻占大、小和岛及其附近岛屿。11月2日，志愿军空军第3师等部队出动飞机对各岛进行照相侦察，为登陆部队提供了情报。5日，地面部队攻占椴岛。为巩固登陆成果，6日空军第8师派图-2型轰炸机9架，在第2师拉-11歼击机16架和第3师米格-15歼击机24架掩护下，成功地轰炸了大、小和岛上敌指挥机构，轰炸命中率高达90%。29日夜，第10师起飞图-2型轰炸机10架对大、小和岛附近，敌舰艇进行轰炸。这两次行动都具有突然性，故未遭美机阻击。30日下午，为配合地面部队攻占大、小和岛，第8师出动图-2轰炸机9架，在第2师16架拉-11歼击机护舰下再次轰炸大、小和岛。这次行动出于指挥上的失误，仍用上次的作战方案，再加上混合机群到达会合空域的时间提前4分钟，没有和护航的喷气式歼击机会合，而敌人的30余架F-86却在那里等待迎击，当敌机向我机突然开火时，才知这不是预期的米格-15，而是凶恶的敌人，于是出现了一场悲壮的空战。
我机群指挥员第8师第24团第1大队大队长高月明清楚地知道，20几架第二次世界大战时的活塞式飞机对抗30几架最新式的喷气式飞机，我机在数量上和质量上都处于劣势。但是，坚定地要完成任务的决心，使他无所畏惧。他发出了命令：“保持队形，坚决回击，勇敢前进。”
机群后尾的3中队承受最大的压力，尤其是僚机。宋风声驾驶的左僚机两台发动机都被击中起火，他命令机组人员跳伞，自己却驾机犹如一条火龙向敌巢冲去，和敌人同归于尽。接着，右僚机也中弹坠落，只剩下中队长机遭受来自各个方向的敌机的攻击。勇敢的中队长邢高科，决心继续前进，吸引敌人火力，以支援前面的机群完成任务。失去编队火力掩护的单机，只能凭借机动飞行来规避，并伺机开炮还击。但后舱盖被击穿了，后舱的通信长刘绍基头部负伤，仍然在寒风中坚持战斗。他瞄准尾后450米处的一架F-86，按下射击按钮，一阵长连发，敌机中弹，凌空爆炸，创下世界第一例活塞式轰炸机击落喷气式战斗机的记录。
拉-11护航歼击机也在拼死与敌机搏斗。副大队长王天保利用活塞式飞机转弯半径小的优点与敌盘旋格斗，他终于找到战机，当两架敌机在一条直线上进入他的瞄准具光环时，三炮齐发，两架敌机先后负伤，狼狈逃窜。当王天保再次向轰炸机靠拢掩护时，陷进7架敌机的包围圈。但是他毫不畏惧，在敌机中间穿插盘旋，寻找战机。在一阵混战中，两次获得机会开炮，把2架F-86送进了大海。王天保创造了空战史上的一个奇迹：活塞式飞机单机与10几架喷气式飞机格斗，6次开炮，击落击伤敌机各2架。
我轰炸机在继续前进，敌机死命追击。第1中队右僚机毕武斌遭到2架敌机攻击，他拉起机头，命令射击员开炮，但射击员和通信员都已牺牲。接着又有3架敌机从3个方向向他攻击。座舱盖被打穿了，寒风进入，受伤昏迷的毕武斌醒来，他看到大和岛已在眼前，于是加大油门，向前冲刺。他的飞机油管爆炸起火了，空中指挥员命令他跳伞，但他没有跳伞，却怀着满腔仇恨，带着全身火焰，英勇地冲向目标，壮烈牺牲。
尽管我混合编队在血战中遭到严重损失，但剩下的飞机仍然保持编队到达目标，把炸弹全部投下。这时地面部队登陆成功，收复了被敌盘踞多日的岛屿。9架轰炸机返航时只剩下5架，其中4架负伤。敌人也付出不小的代价，F-86飞机被我击落3架，击伤5架。
美军的“绞杀战”失败后，其空军从1952年夏季开始，连续组织大规模的空中战役，破坏朝鲜北部的水力发电系统、水利灌溉系统和重要军事补给系统。6月23日，美军出动500多架战斗轰炸机，在100余架战斗机的掩护下，对水丰、长津、赴战、虚川等地的水力发电系统同时进行了轰炸。在随后的一周内，美空军活动更加猖狂，每天出动300至600架次飞机，继续轰炸发电系统和交通枢纽。志愿军空军在友军协同下，与地面防空部队密切配合，进行了粉碎敌空中战役、保卫重要目标的战役性防空作战。
1952年秋，美国新研制的F-86F战斗机投入朝鲜战场，志愿军空军也获得了新式的米格-15比斯飞机，双方用最先进的装备抗衡。美空军在接连受挫情况下，不断改变战术，凭借其优势兵力，出动大机群轰炸，其轰炸范围达到鸭绿江沿岸地区。志愿军也总结经验，采取“一域多层四四制”（即四机编队、多层配置、集中一域）的作战方法。小编队、多层次、多批多路连续出动，运用引诱、迂回、夹击、打大机群和打小机群穿插进行等战术，空战打得比较主动。11月2日，我空军运用诱敌战术成功。这天下午，美空军出动60余架F-86飞机掩护150余架战斗轰炸机企图偷袭拉古哨发电站。志愿军空军第3师第9团的一支部队，越过敌F-86的“阻击屏幕”，在宜川、定州地区吸引40余架F-86与之空战。与此同时，东路由第3师、第12师起飞28架飞机，协同友军飞机在熙川、云山一线拦阻进袭拉古哨发电站的敌战斗轰炸机，一举击落敌机14架。11月15日，志愿军空军运用迂回战术又获成功。第3师第9团副团长王海率一支部队迂回到清川江以南，掉头向北，打敌之侧后；第12师第36团副团长王华清率另一支部队由北向南，打敌之正面。这两支部队在泰川集中于一域，夹击敌机，击落美军F-86飞机4架。
志愿军空军第3师、第12师在12月初与敌F-86飞机空战5次，击落击伤敌机8架。但在12月3日的战斗中，第3师第9团第2大队中队长孙生禄先后与敌机6架格斗，不幸牺牲。他生前共击落敌机6架，击伤1架，号称“空中突击手”。
美国空军承认在1952年冬季志愿军空军的“战斗力显然有了提高”，而美国空军的“战斗活动越来越困难了。”
美国空军为对付志愿军空军的新战术，争夺清川江以北地区的制空权，到1953年春把具有F-86的空军增加到4个联队，并在清川江以北增加数道F-86“阻击屏幕”。但是，美国的企图未能得逞，不但清川江以北地区的制空权仍在志愿军空军之手，而且志愿军空军以小机群、多梯队连续出击，频频越过F-86的“阻击屏幕”，前出到清川江以南地区，甚至到平壤以南地区，打击美之战斗轰炸机，常常迫使其中途弃弹南逃。不但“米格走廊”依然存在，而且平壤以南也有志愿军空军的活动。
在争夺制空权的斗争中，美国空军不敢冒战争升级的危险直接轰炸中国境内的志愿军空军基地，却派遣小分队潜入中国境内，伺机偷袭我返航着陆的飞机。我返航飞机上剩油不多，着陆前速度较小，高度又低，一旦遭到敌机偷袭，往往难以还手。因此，一度曾遭到损失。以后重视了情报保障，加强警戒和空中掩护，在基地上空反击敌之偷袭，取得了可喜的成绩。
1953年4月7日一战是最有戏剧性的。这一天下午，第15师第43团的12架米格-15比斯飞机空战后返航。张牛科、韩德彩双机在空中掩护战友们着陆。掩护任务结束后，自己准备着陆时，韩德彩飞机的油量警告灯红灯发亮，这表示剩油不多了。他准备立即着陆，但飞机下滑到高度1000米时，忽然听到地面指挥员命令：“快拉起来，有敌机”。他拉起飞机，一面搜索，发现左前方2架敖机正在跟踪1架返航的志愿军飞机。接着其中1架敌机忽然放弃跟踪，调转机头，直奔张牛科的飞机。韩德彩急忙呼叫长机拉起，敌机已经开炮，张牛科飞机中弹，尾部冒出白烟。韩德彩不顾油料将尽，加大油门，冲向敌机，到300米处开炮，一下子把那架F-86击落。敌机在坠地前，飞行员跳伞。守卫在机场附近的民兵早已布下罗网，敌人落地，立即被俘。
这名俘虏名叫哈罗德·爱德华·费希尔，15岁学飞行，参加过第二次世界大战，在朝鲜战争中战斗出动175次，因有击落10架飞机的战绩而称为“双料王牌”飞行员。职务是美空军51联队上尉小队长。
这位“双料王牌”在接受讯问时对自己被击落很不服气，一再要求想见识一下击落他的对手。我部队首长满足了他的要求。当他见到韩德彩这位志愿军空军最年轻的飞行员时，不相信这就是击落他这个“空中英雄”的对手，还认为是“开玩笑”。部队首长告诉他，韩德彩只有20岁，参军后才学的文化，飞行时间不到100小时。费希尔目瞪口呆，低下头去说不出话来。
韩德彩击落费希尔之前已经有击落敌机4架的战绩。如果志愿军空军也有击落5架称为王牌飞行员的话，这次也够上“王牌”了。
1953年5月至6月，志愿军空军开始在夜间简单气象和昼间复杂气象条件下与敌作战。5月29日，第4师第10团副团长侯书军在夜间击落敌机1架，首创夜间歼敌的记录。6月至7月份志愿军空军第3师、第4师、第6师，第12师，第15师，第17师多次在昼间复杂气象条件下与美机在中、低空空战。虽然取得许多战果，但付出代价也不小。6月份击落敌机21架，击伤3架，自己也被击落20架、击伤18架。7月19日美空军乘停战协定即将签字之机，加紧了破坏我方机场的活动。是日出动168架飞机组成的机群，袭击新义州和义州机场。志愿军空军在反击中，第6师、第4师击落敌机1架、击伤2架。此后，直至7月27日停战，志愿军空军虽有战斗出动，但无有利战机。7月19日这次空战就成为抗美援朝战争中最后一次空战。
7月27日上午10时，停战协定签字。按照协议签字后12小时，即当天22点零1分生效。这一天美国空军紧张地活动，战斗轰炸机在朝鲜北方境内对许多不能使用的机场进行毫无意义的轰炸。美空军最后还从日本起飞数架B-29重型轰炸机投撒传单。停火前25分钟，又派一架B-26轰炸机投下最后一批炸弹。这些活动除了再一次表明帝国主义侵略者的本性外，不可能为其失败增添任何光彩。
两年零八个月的空中作战，志愿军空军由不会空战到屡建战功，由打小机群到能打大机群；由单一机种作战到多机种合同作战，由战术性作战到战役性作战。有10个歼击航空兵师672名飞行员，2个轰炸航空兵师28个机组，近6万名地面人员取得实战经验。
在空战中，志愿军空军取得了重大的战绩，共击落敌机330架、击伤95架；自己被击落231架，被击伤151架。
战后，志愿军空军根据上级指示，褒奖战争中有功人员，评定了英雄、模范、功臣，颁发勋章、奖章。一级英雄有王海、刘玉堤、孙生禄、赵宝桐、张积慧、鲁珉；二级英雄有李汉、邹炎、王天保、杨振玉、高月明、范万章、蒋道平、韩德彩、郑民华、焦景文、吴胜凯、毕武斌；二级模范有钱良生、苏志明、耀先；特等功臣有罗沧海、陈亮、华龙毅、逯松亭、孙忠国等。三等功以上的功臣有8000余人。
在战斗中志愿军空军边打、边建、边训、迅速成长壮大，扩大了队伍，改善了装备，培养大批空勤和地勤人员、指挥员和各类专业干部，积累了宝贵的作战经验，尤其是防空作战经验，这对战后中国人民解放军空军的建设和发展，具有极为重要的意义。