武汉失守之后，中国空军在人员、飞机上均有较大损耗，作战飞机仅有135架。为了进行整补，暂时停止了出击。各轰炸机中队调至成都、宜宾整训，各驱逐机中队调至重庆、成都、兰州等地驻防和训练。苏联志愿航空队亦转至兰州基地进行休整。1939年春，从苏联又购进一批飞机，补充中国空军和苏联志愿航空队。作战飞机增至245架。此时，苏联志愿航空队有4个大队（轰炸、战斗各2个），中国空军有7个大队及1个独立侦察中队。其中，第1、第2、第6、第8大队为轰炸机大队，第3、第4、第5大队为驱逐机大队。一部兵力统一驻防西安、梁山、吉安、衡阳、南施等机场担任警戒，其他集中于兰州、汉中、重庆、宜宾、昆明、柳州、芷江进行训练。为便于指挥作战，将领导机构改编为1个军区司令部和3个路司令部。第1军区司令部（司令官黄秉衡）驻兰州，所属第1路司令部驻重庆，第2路司令部驻桂林，第3路司令部驻成都。

    1939年上半年，日军在华飞机共有500架左右（海军航空兵200余架，陆军航空兵280余架）。6月间诺门坎事件发生后，日本陆军航空兵团司令部及5个战队调往中国东北。在中国关内的陆军航空兵编为第3飞行集团，下辖第1、第3飞行团和第21独立飞行队，分驻华北、华中和华南。此时，日军已无力发动大规模的战略攻势，其陆军省与参谋本部制订的《今后对华处理办法》规定：“如无特别重大的必要时，不再扩大占领地区。”同时，其参谋总长载仁亲王奉敕于1938年12月2日下达《大陆令第241号》，规定侵华日军的主要任务是“确保占领地区，促使其安定，以坚强、长期围攻的态势，努力扑灭抗日残余势力”，但对其航空兵，则命令华中派遣军司令宫主要担任华中及华北的制空进攻战，特别是制压和袭扰敌人的战略、政略中枢，并秘密与海军协同，努力歼灭敌人的空军作战力量。此后，日军即加强了对中国内地各重要城市的空袭，企图摧毁中国军民的抗战意志，迫使国民政府屈服。在此之前，日军航空兵已经对中国内地进行过多次轰炸，但其空袭的目标，主要是军事要地和机场，此后则改变为以打击中国政治、经济中心为主，以打击军事目标为辅的方针。

    1938年12月26日第1次空袭重庆后，即不断空袭兰州、成都、宜宾等后方城市。1939年2月上旬，开始轰炸延安。中国空军在迎击和反击的战斗中，曾取得一些战果，不断击落日机。11月4日，日海军第13航空队72架飞机袭成都时，其司令官奥田喜久司被中国空军击毙。10月3日、14日，苏联志愿航空队两次空袭武汉日军机场，共炸毁日海军飞机70余架，志愿队飞机仅受伤3架。但总的来说，由于实力悬殊，中国空军损失甚巨，特别是在日机频繁的空袭下，后方人民的生命财产遭到空前的浩劫。尤以重庆所受的破坏更大。如5月4日的空袭，炸毁房屋1200余栋，居民死亡4400余人，负伤3100亲人。

    1940年初，中国空军尚有战斗机112架、轰炸机49架。撤销了第2、第6大队的番号，保留第1、第3、第4、第5、第8大队和直属第1、第25中队。在苏联购买的飞机，因交通困难，难以及时补充消耗。第二次世界大战爆发后，欧洲局势日趋紧张，苏联为求自保，更无力向中国供应飞机和航空器材。中国空军的处境，更为严峻。据中国《空军游击计划及作战计划》记载，至1940年8月，中国空军所剩的各式作战飞机仅有61架。国民政府认为，1940年“是抗战中空军作战最黑暗的时期”。

    1940年，据日军5月间统计，在华日军陆海军航空兵的作战飞机共有408架（不包括东北地区和台湾地区）。日本大本营为尽快迫使国民政府屈服以早日结束中日战争，5月间决定进一