1937年11月，上海、杭州相繼陷落，中國守軍被迫後撤，日軍乘勢直逼南京，華東地區的形勢越來越對中國軍隊不利。此時，英、美等國不僅坐視不救，反而企圖同日本妥協。最後，還是社會主義的蘇聯首先向中國伸出援助之手。早在1934年10月，蔣介石考慮到壹旦抗戰全面爆發，中國將難以從海上獲取外援，因而私下派清華大學教授蔣廷黻赴蘇，同蘇聯外交副人民委員斯托莫裏雅科夫密談，希望改善中蘇關系，從蘇聯獲得軍事援助。之後，蔣介石又多次派人同蘇聯方面接觸。蘇聯從自身防衛的需要出發，也願意援華抗日。1937年4月，蘇聯駐華大使波戈莫洛夫通知中國政府，蘇聯已決定向中國出售飛機和坦克，並提供5000萬美元的貸款。但中國方面卻沒有回音。直到“七七事變”後，蔣介石才感到形勢嚴峻。1937年8月20日，蔣介石致電駐蘇大使蔣廷黻： “沈德燮處長想已到莫（斯科），請兄介紹其與俄政府洽商飛機交涉，現最急需用者為驅逐機200架與重轟炸雙發動機100架。”
1937年8月21日，中蘇兩國正式簽訂了《互不侵犯條約》。此後，蘇聯開始向中國提供經濟貸款和軍事援助，並派遣軍事專家和誌願航空隊參加中國的抗日戰爭。1937年10月，從蘇聯的阿拉木圖經蘭州到漢口的航線通航。10月下旬，第壹批蘇聯誌願航空隊先後到華。第壹批***有空、地勤人員254名，分別組成以基達林斯基領導的轟炸機大隊和庫爾丘莫夫為首的戰鬥機大隊。途經涼州時，庫爾丘莫夫不幸因飛機失事殉職，普羅科菲耶夫接替指揮戰鬥機大隊。此後，蘇聯誌願航空隊的兵力不斷擴充，最高峰時，達到戰鬥機、轟炸機各4個大隊。
蘇聯誌願航空隊的成員采取輪換形式，先後在華參戰的有2000多人，像日加列夫、雷恰戈夫、阿尼西莫夫、波雷寧、特霍爾、赫留金、布拉戈維申斯基等著名空軍將領都曾來華與日軍作戰。蘇聯的援助，對中國空軍來說，真可謂雪中送炭。當時，中國空軍的飛機在淞滬會戰中幾乎拼光，急需補充。本來中國空軍已向歐美國家訂購了363架飛機，但到1938年4月僅得到85架，其中還有13架未裝好。而在這關鍵時刻，蘇聯的大批飛機卻源源不斷運進中國。到1938年2月止，蘇聯出售給中國的飛機為232架，合2254萬美元。其中戰鬥機156架，輕轟炸機62架，重轟炸機6架，教練機8架。得到蘇聯援助的中國空軍實力大增，到1938年2月，***有作戰飛機390架。其中，驅逐機230架，轟炸機160架。 中國空軍裝備的驅逐機大部分是蘇聯援助的И－15和И－16。И－15為雙翼驅逐機，轉彎半徑小，機動靈活，但航速較慢。И－16是單翼驅逐機，航速達到每小時480公裏，但機動性差。兩種驅逐機都裝有4挺“司卡斯”高射速機槍，這種機槍每分鐘可發射1800發子彈。空戰時，通常И－15和И－16聯手迎敵，壹般是И－15與敵機纏鬥，И－16從高空俯沖，追殲逃敵。
中蘇空軍聯袂作戰，士氣大振，使日本陸、海軍飛機損失劇增，日本航空隊被迫將基地後撤500公裏。1938年3月，為了充分發揮空軍的威力，配合陸軍作戰，中國空軍在南昌設第1路司令部，協同第3、第5戰區作戰；在廣州設第2路司令部，協同第4戰區作戰；在西安設第3路司令部，協同湖北、四川以北地區的中國軍隊作戰。張廷孟、劉牧群、田曦分任各路司令。航空委員會不久也進行了調整。周至柔調任空軍軍官學校教育長，錢大鈞接任航空委員會主任，毛邦初任軍令廳廳長，黃光銳任軍政廳廳長，黃秉衡任總務廳廳長，黃鎮球任防空廳廳長，簡樸任政治部主任。此外，航委會特務團擴充為特務旅，萬用霖任少將旅長。航委會機關初設漢口，後移衡陽，再遷貴陽。調整後的中國空軍更加精幹。此後不久，中蘇空軍勇士在武漢上空並肩作戰，給予日本侵略者迎頭痛擊，打了壹個又壹個漂亮仗。