武漢失守之後，中國空軍在人員、飛機上均有較大損耗，作戰飛機僅有135架。為了進行整補，暫時停止了出擊。各轟炸機中隊調至成都、宜賓整訓，各驅逐機中隊調至重慶、成都、蘭州等地駐防和訓練。蘇聯志願航空隊亦轉至蘭州基地進行休整。1939年春，從蘇聯又購進一批飛機，補充中國空軍和蘇聯志願航空隊。作戰飛機增至245架。此時，蘇聯志願航空隊有4個大隊（轟炸、戰鬥各2個），中國空軍有7個大隊及1個獨立偵察中隊。其中，第1、第2、第6、第8大隊為轟炸機大隊，第3、第4、第5大隊為驅逐機大隊。一部兵力統一駐防西安、梁山、吉安、衡陽、南施等機場擔任警戒，其他集中於蘭州、漢中、重慶、宜賓、昆明、柳州、芷江進行訓練。為便於指揮作戰，將領導機構改編為1個軍區司令部和3個路司令部。第1軍區司令部（司令官黃秉衡）駐蘭州，所屬第1路司令部駐重慶，第2路司令部駐桂林，第3路司令部駐成都。
1939年上半年，日軍在華飛機共有500架左右（海軍航空兵200餘架，陸軍航空兵280餘架）。6月間諾門坎事件發生後，日本陸軍航空兵團司令部及5個戰隊調往中國東北。在中國關內的陸軍航空兵編為第3飛行集團，下轄第1、第3飛行團和第21獨立飛行隊，分駐華北、華中和華南。此時，日軍已無力發動大規模的戰略攻勢，其陸軍省與參謀本部制訂的《今後對華處理辦法》規定：「如無特別重大的必要時，不再擴大佔領地區。」同時，其參謀總長載仁親王奉敕於1938年12月2日下達《大陸令第241號》，規定侵華日軍的主要任務是「確保佔領地區，促使其安定，以堅強、長期圍攻的態勢，努力撲滅抗日殘餘勢力」，但對其航空兵，則命令華中派遣軍司令宮主要擔任華中及華北的制空進攻戰，特別是制壓和襲擾敵人的戰略、政略中樞，並秘密與海軍協同，努力殲滅敵人的空軍作戰力量。此後，日軍即加強了對中國內地各重要城市的空襲，企圖摧毀中國軍民的抗戰意志，迫使國民政府屈服。在此之前，日軍航空兵已經對中國內地進行過多次轟炸，但其空襲的目標，主要是軍事要地和機場，此後則改變為以打擊中國政治、經濟中心為主，以打擊軍事目標為輔的方針。
1938年12月26日第1次空襲重慶後，即不斷空襲蘭州、成都、宜賓等後方城市。1939年2月上旬，開始轟炸延安。中國空軍在迎擊和反擊的戰鬥中，曾取得一些戰果，不斷擊落日機。11月4日，日海軍第13航空隊72架飛機襲成都時，其司令官奧田喜久司被中國空軍擊斃。10月3日、14日，蘇聯志願航空隊兩次空襲武漢日軍機場，共炸毀日海軍飛機70餘架，志願隊飛機僅受傷3架。但總的來說，由於實力懸殊，中國空軍損失甚巨，特別是在日機頻繁的空襲下，後方人民的生命財產遭到空前的浩劫。尤以重慶所受的破壞更大。如5月4日的空襲，炸毀房屋1200餘棟，居民死亡4400餘人，負傷3100親人。
1940年初，中國空軍尚有戰鬥機112架、轟炸機49架。撤銷了第2、第6大隊的番號，保留第1、第3、第4、第5、第8大隊和直屬第1、第25中隊。在蘇聯購買的飛機，因交通困難，難以及時補充消耗。第二次世界大戰爆發後，歐洲局勢日趨緊張，蘇聯為求自保，更無力向中國供應飛機和航空器材。中國空軍的處境，更為嚴峻。據中國《空軍游擊計畫及作戰計畫》記載，至1940年8月，中國空軍所剩的各式作戰飛機僅有61架。國民政府認為，1940年「是抗戰中空軍作戰最黑暗的時期」。
1940年，據日軍5月間統計，在華日軍陸海軍航空兵的作戰飛機共有408架（不包括東北地區和台灣地區）。日本大本營為儘快迫使國民政府屈服以早日結束中日戰爭，5月間決定進一步加強對中國的政略、戰略轟炸，發動一次代號力「101」的大規模空襲，使用飛機297架，以漢口、運城為主要基地，集中轟炸重慶和成都。5月18日開始，9月4日方告結束。本來在數量上中國飛機就處於絕對劣勢，當日海軍「零式」戰鬥機使用於中國戰場後，中國空軍面臨的形勢更為嚴峻。「零式」戰鬥機裝備有機槍4挺和轟炸，射擊瞄準儀，可載60公斤航彈2枚，爬高速度與續航力等都較當時中國使用的蘇制N-15和N-16驅逐機為優。
1940年9月13日，中國空軍34架驅逐機與日軍13架「零式」戰鬥機在重慶附近上空空戰，中國飛機被擊落13架，擊傷11架，而日機僅有數架受傷。這次空戰是中國N-15、N-16驅逐機與日軍「零式」戰鬥機的第一次交鋒，也是抗戰以來中國空軍最慘亘的一次失敗。這次空戰之後，中國空軍為減少損耗，下令飛行員避免與日戰鬥機正面交鋒。日機來襲時，經常提前起飛避警。因而，中國的制空僅完全落人日軍航空兵手中。1940年內，日機進襲四川達102次，出動飛機3050架次，單對重慶就轟炸了49次，而且每次飛機多在100架左右。10月間，對成都的一次空襲，竟有數架日機在其「零式」戰鬥機掩護下，降落在成都機場，飛行員下機縱火焚燒停放在機場邊上的中國教練機後，再登機起飛。據日軍統計，「101」號作戰的110天內，日機與中國飛機空戰607架次，擊落中國飛機117架（內14架未證實），炸毀65架；日機被擊落16架，受傷387架。據中國空軍統計，1940年全年，包括「101」號作戰在內，中國空軍共進行空戰61次，使用飛機1084架次，擊落日機32架，擊傷日機22架，中國飛機被擊落、擊毀29架，損傷64架。
中國抗戰之初，美國對日本採取所謂中立的綏靖政策，沒有給與中國任何實際支援，反而供給日本戰略物資，隨著侵華戰爭的擴大，美國的在華利益受到損害，日軍佔領武漢後，日美關係逐漸發生變化。1938年11月30日，日本內閣御前會議確定要建立「東亞新秩序」，這就完全否定了美國「門戶開放，機會均等」的政策，不僅關係到美國在華的利益，而且關係到美國在東南亞的利益。12月30日，美國政府寫信給日本政府，說「美國政府不承任何一個國家，有必要、或有理由在不屬於它的主權的地區內，規定一個新秩序的內容與條件，並自命為這個新秩序的掌權者及施令者」。從1940年1月起、美國開始對日本實施軍火限制。
1940年9月27日，德、意、日簽訂了同盟條約。美國於10月6日宣布「徵集廢鐵令」，不準再向日本出賣廢鐵，日美予盾開始激化。蔣介石利用日美的矛盾，10月18日向美國駐華大使約翰遜正式提出希望美國提供空中援助的要求，說中國每年需500至1000架飛機，希望能儘快先運到500架以濟燃眉之急。還說：「我國如有此數量之飛機。即可摧毀日本海軍之實力。此實美國唯一替代對日作戰之良策也。即使美日發生戰爭，只要美國有新式空軍以助我陸軍之作戰。美國海軍雖不駛來遠東亦無妨礙。蓋中國陸軍與美國空軍之一部分，已足以消滅日本海軍。」10月底，又派其空軍顧問，美國退伍軍官陳納德和毛邦初至美國活動。
11月6日，美國大選結束，羅斯福第3次連任總統。他認識到，美日衝突己不可避免，但美國尚未作好戰爭準備，因而，其遠東政策和首要問題就是利用中國的抗戰，拖住日本，使其暫時不能向南擴張，以推遲美日戰爭的開始時間，為此，他決心突破「孤立主義」，實行「以華制日」方針。1941年3月，美國會通過「武器租借法案」，4月貸給國民政府543萬美元，並宣布中國是有資格獲得租借援助的國家，可以貸款購買美國的飛機。但又怕公開援助中國，激怒日本，促其提前與美國開戰，並為應付國內的孤立主義勢力，羅斯福簽署了一項行政命令，准許預備役軍官和士兵遲出陸軍和海軍航空部隊，參加陳納德組建的赴華美國志願隊。既可以支援中國迫切需要的空中援助，又避免了美國政府公開出面。1941年7月，110名飛行員、150餘名地勤人員作為第一批美國志願人員來到中國。蔣介石於8月1日發布命令、「由志願來華參戰之美員及航空委員會派赴該隊之華員，共同組成」中國空軍美國志願大隊，下轄3個驅逐機中隊，以「陳納德上校就任該大隊指揮官」，共有P40-C驅逐機99架，先在緬甸的同古集訓。
1941年12月7日，太平洋戰爭爆發，英、美對日宣戰，加拿大、荷蘭、希臘等許多國家都對日宣戰，中國政府也於9日正式對日宣戰，中國單獨抗擊法西斯日本的戰爭發展為世界反法西斯戰爭。這時，日本陸軍航空兵的150個中隊，有70個用於太平洋戰場，入侵中國的海軍航空兵也多用於中國沿海對美軍的反潛和空防作戰，日軍航空兵對中國內地的壓力相對有所減輕。中國空軍除增加了美國志願航空隊外，自身實力也得到恢複，有轟炸機第1、第2，第8、第12大隊，驅逐機第3、第4、第5、第11大隊和偵事機第1