1951年夏，美軍發起「空中封鎖鐵路線」的「絞殺戰」。美空軍增至十九個聯隊和大隊，作戰飛機達1400餘架。
8月26日誌願軍空軍奉命與蘇軍航空兵一部擔負保護平壤以北主要交通線和掩護安州地區機場修建的任務。9月，志願軍空軍以師為單位，在蘇聯空軍帶領下，輪番進入一線機場參戰。
9月12日，第4師兩個團共五十五架米格—15型飛機，在師長方子翼和政委謝錫玉的率領下，再次進駐浪頭機場。
25日，第4師出動三十二架飛機，配合蘇聯空軍，與企圖襲擊清川江橋的美軍百餘架飛機混合機群交戰。
在戰鬥中，第1大隊大隊長李永泰在美F—86型戰鬥機的圍攻下，飛機受傷五十六處，但他沉著應戰，駕駛飛機返回基地，被譽為「空中坦克」。飛行員劉涌新單機與六架F—86交戰，擊落其中一架後壯烈犧牲。他開創了擊落美國最新式的「佩刀」式飛機的記錄。
在接下來的五天空戰中，第4師與蘇聯空軍飛行員密切配合，共擊落美機二十六架，擊傷八架。10月2日，毛澤東在空軍關於第4師作戰情況的報告上批示：「空四師奮勇作戰，甚好甚慰，你們予以鼓勵是正確的，對壯烈犧牲者的家屬應予以安慰。」
10月，在高射炮兵和蘇聯空軍的配合下，第4師和美軍連續進行了六次大規模的空戰。其中在5日，第4師共起飛二十架飛機到清川江上空打擊美戰鬥轟炸機，掩護地面部隊過江，擊落美F—80型戰鬥轟炸機三架、擊傷兩架，自身損失飛機一架。
志願軍空軍第4師一個月作戰，共戰鬥出動508架次，其中敵我雙方戰鬥機達200餘架的空戰有七次，共擊落美機十七架、擊傷七架，自身損失十七架。10月20日，第4師轉到二線休整，總結作戰經驗。
同一天，第3師在代師長袁彬、政委高厚良率領下到一線參戰。該師裝備米格—15型飛機五十架、飛行員五十名。11月4日和16日，第2師（師長張慶和、政委張百春）、第14師（師長王毓淮、政委謝繼友）分別轉到第一線參戰，由第3師帶領作戰。12月和1952年1月，志願軍空軍第6師（政委張志勇、副師長北沙）、第15師（師長黃玉庭、政委崔文斌）分別進入一線參戰。志願軍空軍大批部隊陸續投入戰鬥，大大削弱了美軍在鴨綠江至清川江之間的「空中優勢」，並在戰鬥中成長壯大起來，與蘇聯空軍一道，掌握了清川江以北一定時間的制空權。
1951年9月，美國情報部門發現在朝鮮西北部距中國邊境90英里處有三個特大的飛機場正在迅速建設。美軍估計，一旦這些機場建成並投入使用，將大大加強中朝軍隊的空中力量，使「聯合國軍」的空中和地面活動受到嚴重威脅。
美軍迅速採取行動，從10月18日開始對三個建設中的機場進行了一系列的攻擊。
10月23日，美軍動用八架B—29轟炸機和大約100架戰鬥機護航隊對朝鮮北部一個正在建設中的噴氣式戰鬥機基地——南市簡易機場進行空襲，遭到150架米格飛機的截擊。
志願軍空軍第3師，在學習第4師作戰經驗的基礎上，先打小機群，待積累實戰經驗後，再打大機群。從11月2日至10日與美空軍分散活動的小機群交戰五次，擊落美機八架。從11月16日起，第3師開始與美大機群較量。
18日下午，志願軍空軍第3師第9團起飛十六架飛機迎戰美軍大機群。第1大隊六架飛機到達清川江上空時，發現左前方低空有六十餘架F—84型戰鬥轟炸機活動，有的正在轟炸清川江江橋。大隊長王海率隊沖入美機群，他和僚機各擊落兩架美機。飛行員孫生祿敢於空中拼刺刀，在300米的近距離上開炮擊落美機一架。在這次戰鬥中，第9團共擊落六架美機，其中有五架是1大隊擊落的。在整個戰爭期間，第1大隊空戰八十餘次，擊落擊傷美機二十九架，被譽為「英勇的王海大隊」。
23日，志願軍空軍第3師第7團副團長孟進率二十架飛機與二十餘架F—84型飛機交戰，創造了一次空戰擊落擊傷美機八架、自己僅輕傷一架的成功戰例。在此次戰鬥中，大隊長劉玉堤創造了一次空戰擊落美機四架的記錄。
12月2日、5日、8日，每天都有300架飛機在空中鏖戰，每天美軍航空兵都受到新的打擊。志願軍空軍第3師第一次輪戰（1951年10月21日至1952年1月14日），擊落擊傷美機六十四架，其中劉玉堤、趙寶桐各擊落擊傷美機八架，王海、范萬章各擊落擊傷美機五架。第3師被擊落擊傷二十三架。
在志願軍空軍和蘇聯空軍的聯合打擊下，1951年10月底，美國遠東空軍司令威蘭被迫取消B—29型戰略轟炸機晝間的轟炸行動。
11月，美國空軍參謀長霍伊特·S·范登堡在一次記者招待會上承認，「我們遭到了自朝鮮戰爭以來最慘重的損失……」「鑒於朝鮮空中發生了一種重要的，從某種程度上講可以說是險惡的變化，……幾乎在一夜之間中國便成了世界上空軍力量中最強大的國家之一，……我們過去所一直依賴的空中優勢，現在已面臨著嚴重的挑戰」。
美國空軍戰史寫道：
共軍米格由於佔有數量上的優勢，所以11月份在平壤以北他們到處取得了主動地位，而聯合國軍所有的飛行員則只能對共軍飛行員發動的進攻進行抵抗而已。
12月16日，威蘭在記者招待會上承認，對交通線進行空中封鎖越來越困難了。
經過實戰的初步鍛煉，從1952年1月開始，志願軍空軍已能夠獨立作戰。志願軍空軍採取以老帶新的方式，繼續以師為單位進行輪番作戰。根據第一線機場的情況，每輪作戰部隊保持三至四個師。
1月16日，志願軍空軍第4師又一次到達一線。
2月，毛澤東指示空軍：「必須抓緊時機進行實戰鍛煉，要十分重視實戰鍛煉對空軍部隊的意義，那怕求得只打幾次空戰也是好的。」根據毛澤東的這一指示，志願軍空軍第12、第17、第18師又陸續到一線參戰。
2月10日上午，美軍飛機到平壤、沙里院和價川地區上空活動，其中F—84、F—80型戰鬥轟炸兩批十六架在十八架F—86的掩護下，轟炸軍隅里附近的鐵路線。志願軍空軍司令部命令第4師起飛三十四架米格—15型飛機迎敵。
美機利用雲層的遮蔽悄悄地向志願軍機群接近。第12團第3大隊大隊長張積慧發現美機立即向帶隊長機報告，帶隊長機果斷下達戰鬥命令。張積慧和僚機單志玉扔掉副油箱爬高，爭取高度優勢，準備攻擊。在這一過程當中，他們卻發現自己脫離了編隊。於是他們一邊追趕編隊，一邊搜尋敵機。
突然，張積慧發現八架美機從右後方雲層中向自己撲來。張積慧提醒單志玉保持隊形，然後做了個右轉上升，美機撲了個空。張積慧和單志玉順勢咬住了美機長機。美機企圖逃脫，又是俯衝又是拉升，但都無法擺脫。在第一次開炮未中目標的情況下，張積慧在距美機600米的距離上三炮齊發，幾十發炮彈餵給這架美機，將其擊落在博川郡的一個山坡上。接著，張積慧在單志玉的配合下又將另一架美機擊落。
當時張積慧並不可能知道與他進行空中格鬥的美機長機由何人駕駛。空戰結束後，從美機殘骸中找到一枚駕駛員證章，上面刻著：「第4聯隊第334中隊中隊長喬治·A·戴維斯少校」。這才知道，張積慧當時是在與鼎鼎大名的戴維斯較量。戴維斯在第二次世界大戰中參加過266次戰鬥飛行，飛行總時間超過3000小時，是被美國空軍高度推崇的所謂「百戰不倦」的「特別勇敢善戰」的「空中英雄」，著名的「王牌」飛行員。
美國遠東空軍司令威蘭中將在2月13日的一項特別聲明中證實，戴維斯被擊斃。他說，這「是對遠東空軍的一大打擊」，「是一個悲慘的損失」。
1951年9月至1952年5月：志願軍已有九個師十八個團的殲擊機部隊和兩個轟炸機師部隊輪番參戰，參戰飛行員447名，戰鬥出動680批，空戰1602架次，擊落美機123架、擊傷43架，為擊破美軍的「絞殺戰」做出了重要貢獻。