1950年9月15日，以美國為首的「聯合國軍」在仁川登陸，10月7日越過「三八線」向中朝邊境逼近，並不斷派遣飛機侵犯中國領空，轟炸我邊境城鎮，戰火已經燃到祖國境內。
中國人民志願軍入朝參戰後，美軍在陸上作戰連遭敗績。為了挽救其地面部隊的不利處境，美國便派遣空軍轟炸中朝軍隊集團和後方交通線，給志願軍的作戰行動造成困難。志願軍決定組建志願軍空軍，由中國人民解放軍航空兵部隊的志願人員組成。經過倉促準備，1950年12月21日，第一支志願軍空軍的部隊——殲擊航空兵第4師第10團第28大隊由師長方子翼率領，進駐安東（今丹東，下同）。從此開始了志願軍空軍英勇奮戰，震驚中外的戰史。
第28大隊這支小小的部隊面臨的形勢是十分嚴峻的。當時侵朝美空軍和海軍的作戰飛機達1100餘架，還有英、澳、南非及南朝鮮空軍飛機百餘架。他們的飛行員有許多參加過第二次世界大戰，飛行時間平均600小時，多的達3000小時，還包括一批有豐富作戰經驗的所謂「王牌」飛行員。志願軍空軍當時剛組建了兩個師加兩個團，作戰飛機不到200架。飛行員的飛行時間平均不過200多小時，其中噴氣式飛機上的飛行時間平均只有15小時，沒有空戰經驗。指揮機構不健全，指揮員和參謀人員都缺乏組織空中作戰的經驗。敵我力量如此懸殊，在空戰史上是罕見的。
志願軍空軍的任務是奪取制空權、防空作戰和直接支援地面軍隊作戰。為了實施後一個任務，必須建立前進基地。志願軍入朝後，隨著地面軍隊的推進，先後在朝鮮北部搶修過17個機場。但由於沒有制空權，每當機場修成尚未投入使用就被美機轟炸破壞，無法進駐部隊，因而志願軍空軍不得不使用國內的機場。缺乏前進機場就無法遂行直接支援地面軍隊的任務，奪取制空權的鬥爭也受飛機作戰半徑的限制，不能深入到敵戰線後方。
第28大隊進駐安東後，先在友空軍的帶領下進行實戰鍛煉，摸索經驗。他們研究了敵人活動的特點，擬定作戰方案，進行戰區熟悉飛行。1951年1月21日清晨，大隊長李漢奉命率6架飛機升空作戰，目標是正在轟炸清川江大橋的20架美國的F-84噴氣式戰鬥轟炸機。他們在地面指揮所引導下，迅速找到目標。李漢見敵機正在肆虐，大橋周圍濃煙滾滾，不禁怒火中燒，不加思索，大喝一聲「跟我來」，就帶頭向敵機群衝去。敵機面對這意外的襲擊甚感驚恐，隊形迅速四散，但旋即恢複戰鬥，李漢等6機陷入重圍。在苦鬥中，李漢咬住其中2架敵機，一陣炮擊，擊中1架，其餘敵機望風喪膽，倉惶南逃。
第一次空戰雖然取得擊傷1架F-84飛機的戰果，也反映出不少問題。第28大隊的飛行員是來自陸軍的優秀戰士，有高度的政治覺悟，作戰勇敢，但畢竟技術上和戰術上都不成熟。作為空中指揮員，李漢只顧自己猛衝猛打，忽略了指揮，未能發揮編隊協同作戰的威力。第二次作戰，這個缺點有所克服，取得更好的成績。8天以後，即1月29日下午，雷達發現有一批美機在定州、安州一帶活動，李漢率兩個中隊迎敵，在定州西面發現敵F-84飛機16架分上下兩層，高度分別為6000和5000米。這時李漢大隊在地面引導下已佔據高度優勢，當即決定集中兵力先打上層8架，由2中隊掩護，李漢自率1中隊攻擊。敵機遭到突然襲擊，慌忙投棄副油箱，掉轉機頭撲向我機。李漢毫不畏懼也向敵機對頭衝過去。對頭攻擊是意志的考驗，在相距1000多米，也就是再過兩秒鐘就要雙機相撞時，敵人膽怯了，為首的敵機向右側規避，這就給李漢一個尾後攻擊的機會，把敵機套進了瞄準具光環。這時其餘敵機轉到李漢後方，企圖偷襲，但1中隊的另外3架飛機上前迎戰，迅速將敵機驅走。李漢在戰友的掩護下，跟蹤瞄準到400米的距離，三炮齊發，一下射出40餘發炮彈，敵機頓時粉身碎骨，掉進了大海，首創擊落敵機的記錄。這時副大隊長李憲剛率領的2中隊也把其餘8架敵機打跑。李漢率部將敵機逐至海上，又迅即找到戰機，將1架F-84擊傷。這一天取得擊落擊傷敵機各1架，自己無一傷亡的戰果，而且空中指揮和編隊協同有明顯進步。勝利的消息傳遍全軍，也傳到祖國各地，人心振奮，特別是大大地增強了志願軍空軍空戰殲敵的信心。志願軍空軍首戰告捷的勝利也證明了美國的空軍也和它的陸軍一樣，是可以戰勝的。
1951年6月，朝鮮戰場經過五次戰役，戰線穩定在「三八線」附近，美方被迫與中朝方面開始停戰談判。為了取得談判的有利地位，美國企圖通過空中優勢對我施加壓力。侵朝美軍的作戰飛機增加到1400多架，擬訂了「空中封鎖鐵路線」，也就是「絞殺戰」計畫。「聯合國軍」總司令李奇微在命令中要求「在談判期間採取行動，以充分發揮空中力量的全部能力」，「不讓敵人有再發動一次決定性地面進攻的能力」。
8月中旬美國空軍趁朝鮮北部特大洪水泛濫之機，用大量兵力破壞鐵路線，對新義州經新安州至沙里院的雙軌鐵路幹線和熙川經軍隅里至平壤的單軌鐵路幹線晝夜不停地反覆轟炸。志願軍空軍從9月起以師為單位輪番進入一線機場參戰，並承擔了反敵空中封鎖的任務。
經過初戰鍛煉的志願軍空軍第4師於9月12日再次進駐安東。志願軍空軍司令員劉震要求該師積極打敵大機群，以求進一步提高戰鬥力。9月份在朝鮮上空發生了大規模空戰，從中旬開始，敵我雙方都採用數10架飛機的大編隊和100多架飛機的大機群作戰。9月25、26、27日三天的空戰最為激烈。9月25日，第4師和友空軍一起出動100餘架飛機，同襲擊清川江橋的100餘架美機激戰。第12團大隊長李永泰遭10多架F-86飛機圍攻，軍械繫統被破壞，只能用猛烈的機動動作在敵陣中左衝右突，多次向威脅最大的敵機猛衝，終於突圍。這時其飛機中彈30餘發，受傷56處，但仍安全返航。在以後的戰鬥中，他先後擊落了4架F-86飛機。飛行員劉湧泉為掩護長機，單機與敵6架F-86飛機激戰，擊落其中1架，首開打下美國最新式的「佩刀」式飛機的記錄，自己壯烈犧牲。9月26日和27日都有大規模空戰。美國空軍第5航空隊稱：「這三天的戰鬥是歷史上時間最長、規模最大的噴氣式飛機的戰役」。志願軍空軍第4師在9月26日起的5天內擊落美機26架、擊傷8架。10月2日，毛澤東主席在作戰報告上批示讚揚道：「空四師奮勇作戰，甚好甚慰……」。
10月份第4師連續進行了六次大規模空戰，其中5日擊落美F-80飛機3架、擊傷2架；10日擊落F-80飛機4架、擊傷1架。第12團第2大隊隊長華龍毅在10日的戰鬥中擊落美機2架。在16日的空戰中，他單機被14架敵機包圍，其座艙被擊中，手臂負傷，但仍擊落擊傷美機各1架。
10月20日，第4師回二線休整，第3師開赴前線接替。11月第2師和第14師也先後到一線參戰。11月2至10日，第3師在五次小規模空戰中擊落美機8架。大隊長劉玉堤擊落擊傷敵視各2架，副大隊長趙寶桐擊落美機2架。11月16日起開始與美空軍大機群作戰。11月18日下午美機184架，一部分活動於永柔地區，另一部分竄至安州、清川江一帶，對鐵路目標轟炸掃射，第3師第9團起飛迎擊。第1大隊隊長王海率6機到達清川江上空，發現60多架F-84飛機在投彈，立即沖向敵陣，經一番猛攻，他和僚機焦景文各擊落美機2架，第9團共擊落敵機6架。該團第1大隊在抗美援朝作戰中，空戰80餘次，擊落擊傷美機29架，榮立集體一等功。「英勇的王海大隊」名揚海內外。
11月23日第3師第7團20架米格飛機與美20餘架F-84飛機空戰，擊落擊傷美機8架，其中劉玉堤在一次空戰中擊落美機4架。12月2日、5日、8日連續3天雙方進行有300架飛機的大空戰，每戰都給美國空軍以沉重打擊。美國空軍參謀長驚呼：「共產黨中國幾乎在一夜之間變成了世界主要空軍強國之一」。
第3師輪戰86天，擊落擊傷美機64架。1952年2月1日毛主席寫了向志願軍空軍第3師致祝賀的勉詞。
在此期間，志願軍空軍第6師、第15師先後參戰。志願軍空軍大批部隊投入戰鬥，奪取了清川江以北地區的局部制空權，美軍將該地區稱為「米格走廊」，被迫放棄對該地區鐵路線的轟炸行動，戰鬥轟炸機的活動範圍退到平壤以南。1952年初，美國空軍第5航空隊承認「米格曾經把戰鬥轟炸機逐回清川江以南」。
1952年春，美國空軍又對新安州至南市洞、順川至熙川兩條鐵路線段發動了不分晝夜連續突擊的所謂「飽和轟炸」。但在志願軍空軍和高射炮兵的積極反擊下，為時兩個月的「飽和轟炸」同樣沒有取得多大效果。到1952年6月，歷時10個月的「絞殺戰」終於以失敗而告終。