1951年10月中旬，为了争取时间锻炼部队，空军抓住时机，派遣更多部队参加实战。空军第3师于10月下旬进驻安东浪头机场，接替转回二线的空4师执行任务。
一、首战告捷，赵宝桐空中两开花
1951年11月2日，第3师投入实战，并于2天后迎来了首次空战。
11月4日上午，6批128架敌机向清川江、定州、博川地区进犯，其中2批50余架敌机于价川、宁边方向策应。第3师7团由副团长孟进率领起飞22架米格-15迎敌，打击活动于价川上空的F-80、F-84战斗轰炸机。孟进命令第1、2大队为攻击队，第3大队为掩护队。进入战区后，因敌机群向南脱离，没有搜索到敌机，团长机遂决定不予追击，但是第3大队没有听到指令，仍然向南搜索前进，发现顺川上空10余架F-84（后查明实为24架）于高度4000米活动，大队长牟敦康立即率大队占据高度优势，从敌机群右侧上方向敌机展开了攻击。
由于首次实战，缺乏经验，长僚机协同不熟练，第3大队一下冲入了敌机群，多数形成了单机作战局面。但即便如此，由于出敌不意，也立即打乱了敌机队形，争取了战术主动。趁敌人混乱之际，大队长牟敦康率先击落1架，赵宝桐单机冲入两层敌机之间，边规避边击落1架，随后因动作过猛进入螺旋，改出后又击落另外1架。首次空战，第3师就取得3：0的战绩。随后的11月9日和10日，第3师又连续出击，击落击伤敌机5架，参战3次累计击落击伤敌机8架，自己仅轻伤1架。赵宝桐在整个抗美援朝期间共击落敌机7架、击伤2架，是人民空军迄今在实战中击落敌机最多的飞行员。
赵宝桐
二、轮番上阵，王海大队初露锋芒
初战告捷，给第3师飞行员很大的鼓舞，在总结经验教训之后，全师开始展开对敌大机群作战的准备。11月18日，第3师9团副团长林虎率领16架米格-15，起飞截击沿平壤、顺安北窜的F-84型飞机，飞至肃川上空时，发现F-86型飞机20余架沿西海岸北飞。林虎趁敌不备，以猛烈动作从8000米高空急速俯冲，打乱了敌机队形，形成了各个歼敌的有利态势。
第1大队6架飞机由大队长王海率领，为了分割敌机群，几次上下冲杀，使敌机群大乱，第1大队的飞行员遂抓住有利机会发起猛烈攻击。王海向敌机连续攻击3次，击落敌机2架；僚机焦景文在500-600米距离内连续向敌机进行3次攻击，击落敌机2架，4号机孙生禄在300米的距离上将1架敌机打得凌空爆炸。在1大队激烈空战的同时，3大队也展开了攻击，郑兰儒先后向2批敌机进行攻击，击落敌机1架。
这次战斗，第9团共击落敌机6架，其中王海率领的9团1大队击落敌机5架。在第3师首次入朝作战的86天中，王海率领1大队共击落击伤敌机15架、自己无一损失，整个抗美援朝作战期间，第3师9团1大队空战80多次，击落击伤敌机29架，1964年9月被命名为“王海大队”，王海本人共击落敌机4架、击伤5架，后来出任空军司令员，1988年被授予空军上将军衔。
“王海大队”
三、一战四捷，刘玉堤斩获大四喜
11月23日，第3师7团起飞20架米格-15，由副团长孟进率领迎击敌F-86、F-84、F-80共6批116架，在肃川以南上空同敌20余架F-84型飞机展开空战。刘玉堤率领的第1大队第2中队首先追击2架F-84，刘玉堤首先令僚机攻击敌僚机，自己在440距离上将敌长机击落，此时敌僚机为规避恰好从刘玉堤前方约130米处掠过，刘玉堤眼疾手快迅速拦截顺手将敌僚机击落。随后刘玉堤由海上回到以北地区上空时，在正下方发现1架敌机，正准备对其攻击时，敌机急速降低高度企图利用山沟逃脱，刘玉堤抓住敌机为避开山头转弯的时机在850米距离上将敌机击落。
此时刘玉堤与僚机已分散，所剩弹药也不多，遂上升转弯准备退出战斗，当上升到5000米高度时，又发现清川江口有50余架敌机，刘玉堤从敌机群后下方隐蔽接近，准备攻击最后面的两架敌机，当接近至200米时被敌机发觉，敌双机左右分开脱离，刘玉堤急速右转在150米距离上将敌僚机击落，随后安全退出战斗返航。
此一战，第7团共击落敌机8架、被击伤1架，创造了8:1的战绩。其中刘玉堤单人单机一次升空击落敌机4架，创造了喷气式战斗机空战史上的纪录。刘玉堤在整个抗美援朝期间共击落敌机6架、击伤2架，总击落数量位列赵宝桐之后，刘玉堤后来出任北京军区空军司令员，1988年被授予空军中将军衔。
刘玉堤
四、机群作战，罗沧海三炮三敌机
随着战局的发展，敌装备F-86的联队增至2个，机群数量也随之增大，第3师遂于11月底开始打击敌大机群，12月2日首次参加了双方300架飞机的大空战，第7团22架飞机为攻击队、第9团20架飞机掩护。空战中赵宝桐再次击落敌机2架，但返航时被击落，赵宝桐跳伞后安全回到部队。此战击落敌机3架、击伤1架，被击落2架、牺牲飞行员1名。
12月5日，发现5批100余架飞机在肃川、定州等地区活动。第9团出动20架米格-15担任攻击任务、第7团22架飞机掩护。在泰川、龟城上空突遇F-86、F-84各6架向第1、3大队偷袭，林虎率领全团立即投入战斗。3大队4号机罗沧海抓住敌机相续转弯的时机，在340米、230米、145米距离上三次开炮，创造了一次进入攻击连续击落3架敌机的范例。这次空战第9团在不利的条件下共击落F-86飞机1架、F-84飞机3架，被击落4架、击伤1架，牺牲飞行员1名。由于是初次参加大规模机群作战，虽然遭受到了损失，但同样取得了战果，为后续空战胜利积累了宝贵的经验。
罗沧海
五、战果辉煌，毛主席亲笔致祝贺
1952年1月，第3师结束第一轮入朝参战，转回二线休整并总结经验。首次入朝作战，第3师共进行大小战斗23次，击落敌机54架、击伤9架，共损失飞机21架、牺牲飞行员6名。1952年2月，毛主席在看过第3师作战86天战报后，亲笔写下了“向空军第三师致祝贺”的批语。
向空军第三师致祝贺
在整个抗美援朝期间，第3师的战果在全空军里最为卓著，涌现出的英雄模范也最多。志愿军荣记集体一等功单位有6家，第3师占4家：第3师9团1大队、第3师9团2大队，第3师7团3大队7中队、第3师9团3大队9中队。志愿军空军6名"一级英雄"中有4名来自第3师：王海、赵宝桐、孙生禄、刘玉堤；12名"二级英雄"中有3名出自第3师：焦景文、杨振玉、范万章；赵宝桐两次荣记特等功，是飞行人员中唯一获此殊荣者。
第3师还是抗美援朝战争中击落击伤敌机战绩最高的师，累计击落敌机88架、击伤29架；在个人空战战绩中，排行前三名的赵宝桐、刘玉堤、孙生禄均来自第3师，在志愿军空军击落敌机5架以上的7位“王牌”飞行员中，有4名来自第3师飞行员（加范万章）。
第3师以卓越的战绩打出了威名，在后来一直被作为空军头号“王牌”部队，取得了更多的辉煌，不断践行着“闻战则喜、英勇顽强、敢打必胜、有我无敌”的师训与师魂。