1913年，袁世凯利用北京南郊的一个北洋陆军军营，建立了中华民国南苑航空学校。1916年，北洋政府国务总理段祺瑞购买了英国维梅型轰炸机40架，单发动机阿佛罗504 K型教练机60架，中国空军初具规模。
民国时期，多个军阀都有空军，其中张作霖的奉系空军最强大，拥有200多架飞机。
一、抗战前中国空军
1928年2月，蒋介石在南京设立航空司令部，创建中央航空学校，首批学员74人。后来，中央航空学校转到杭州笕桥建校，杭州成了中国空军主基地。
抗战爆发前，国民政府4所空军学校培训出将近700名飞行员。空军共有10个飞行大队和6个独立飞行中队，拥有轰炸机、驱逐机、侦察机、运输机、教练机等各型飞机。
1936年，国民政府发起全国范围捐款运动，筹得钱款数额可以购买1300余架美国、德国生产的先进飞机。
航空委员会由周至柔担任主任委员，宋美龄担任秘书长。宋美龄听说飞机更新换代太快，决定先不买飞机，把这些钱存到纽约银行帐户上。抗战爆发后，美英法等西方国家宣布中立，实行武器禁运，这些钱想买飞机也没人出售。
二、空战初期不利局面
1931年日本发动了九一八事变，东北军接到命令不予抵抗。沈阳东塔机场战斗机排列整整齐齐，260架飞机全成了日军战利品，其中包括110多架先进战斗机。
日本为了发动对华战争，空军快速扩军，拥有各型战机2700架。此时中国空军仅有近600架飞机，其中轰炸机137架，驱逐机121架、攻击机20架，可用于空战的飞机305架。
1937年8月14日，中国空军正式对日作战。日本海军18架九六式陆上攻击机空袭杭州，高志航带领空军第四大队升空迎敌，共击落日机6架。
1937年8月，中国空军空战12次，击落敌机61架，损失飞机27架。9月，中国空军空战15次，击落敌机20架，损失飞机36架。
到1937年11月份，中国空军经过3个月作战仅剩下30架飞机，已经无力组织空战。
三、苏联援华志愿航空队
抗战爆发后，欧美资本主义国家为保存实力，宣布严守中立，停止向中国出售军用物资。
1937年8月21日，中苏两国正式签订了《互不侵犯条约》，苏联遣军事专家和志愿航空队参加中国抗战。1937年12月，苏联航空队在南京上空秘密参战。此后，苏联航空队参加了武汉、南昌、成都、重庆、兰州等地空战，出动飞机千余架次，击落日机数百架，支援了中国军队正面作战。
抗战期间，苏联共向中国出售1285架飞机，帮助中国训练中国飞行员和地勤人员，使得国民党空军起死回生。
中苏空军联袂作战，至1940年击落日本飞机986架，日本航空队被迫将基地后撤。
1941年4月，苏联与日本签订了《苏日中立条约》，中苏关系变冷。6月，德国对苏联发动大规模入侵，苏联援华航空队奉命撤回国内。
四、美国航空志愿大队
苏联志愿航空大队撤走时，给中国留下了200架飞机。中国空军经过几年消耗，对日作战出现严重困境，亟需要新的外援。
1937年4月，美军退役飞行员陈纳德来华，担任国民党政府航空委员会顾问。1941年，陈纳德返美宣扬中国抗战，争取各方援助。罗斯福决定对华进行军事援助，批准租借100架P-40型战斗机，准许预备役军官参加赴华的美国志愿队。
中国政府出资，陈纳德在美国高薪募集了110名飞行员、150名机械人员和后勤人员，组建了美国志愿航空大队，下辖3个战斗中队，装备有飞机124架，该志愿队被称为“飞虎队”。
1941年12月到1942年6月，飞虎队击毁敌机近300架，自身损失73架飞机，26名飞行员牺牲。
1941年12月日军偷袭珍珠港后，美国决定加大对中国援助，将“飞虎队”纳入美军空军编制。1943年，为了从印度接运战略物资到中国，志愿航空队建立了飞越喜马拉雅山航线，这条航线史称“驼峰航线”。
至抗日战争结束，通过驼峰航线，第14航空队向中国战场运送了80万吨急需物资，人员超过3万人次。航空队共损失563架飞机，牺牲1500多人，击落日敌机2600架，击沉44艘日本军舰。
1943年7月开罗会议后，中国向美国申请贷款购买飞机481架。1944年和1945年，中国空军又多次购买P-51式战斗机、B-25式中轰炸机，B-25式重轰炸机、侦察机和运输机。
抗战的最后两年，中美空军完全夺取制空权。1944年12月18日，中美150多架战机向日军在华航空兵总基地汉口发动空袭，日军只有60多架战机迎战，我方大获全胜。1945年4月10日雪峰山会战中，中美空军出动了1000架次，给日军造成了严重损失，空袭造成日军伤亡6000多人。
抗战胜利时，中国的空军约有460架飞机，这些飞机主要是美制飞机，是当时世界上最先进的飞机。日本投降后，中国空军又接收了日本留在中国的1080架飞机。