武汉失守之后，中国空军在人员、飞机上均有较大损耗，作战飞机仅有135架。为了进行整补，暂时停止了出击。各轰炸机中队调至成都、宜宾整训，各驱逐机中队调至重庆、成都、兰州等地驻防和训练。苏联志愿航空队亦转至兰州基地进行休整。1939年春，从苏联又购进一批飞机，补充中国空军和苏联志愿航空队。作战飞机增至245架。此时，苏联志愿航空队有4个大队（轰炸、战斗各2个），中国空军有7个大队及1个独立侦察中队。其中，第1、第2、第6、第8大队为轰炸机大队，第3、第4、第5大队为驱逐机大队。一部兵力统一驻防西安、梁山、吉安、衡阳、南施等机场担任警戒，其他集中于兰州、汉中、重庆、宜宾、昆明、柳州、芷江进行训练。为便于指挥作战，将领导机构改编为1个军区司令部和3个路司令部。第1军区司令部（司令官黄秉衡）驻兰州，所属第1路司令部驻重庆，第2路司令部驻桂林，第3路司令部驻成都。
1939年上半年，日军在华飞机共有500架左右（海军航空兵200余架，陆军航空兵280余架）。6月间诺门坎事件发生后，日本陆军航空兵团司令部及5个战队调往中国东北。在中国关内的陆军航空兵编为第3飞行集团，下辖第1、第3飞行团和第21独立飞行队，分驻华北、华中和华南。此时，日军已无力发动大规模的战略攻势，其陆军省与参谋本部制订的《今后对华处理办法》规定：“如无特别重大的必要时，不再扩大占领地区。”同时，其参谋总长载仁亲王奉敕于1938年12月2日下达《大陆令第241号》，规定侵华日军的主要任务是“确保占领地区，促使其安定，以坚强、长期围攻的态势，努力扑灭抗日残余势力”，但对其航空兵，则命令华中派遣军司令宫主要担任华中及华北的制空进攻战，特别是制压和袭扰敌人的战略、政略中枢，并秘密与海军协同，努力歼灭敌人的空军作战力量。此后，日军即加强了对中国内地各重要城市的空袭，企图摧毁中国军民的抗战意志，迫使国民政府屈服。在此之前，日军航空兵已经对中国内地进行过多次轰炸，但其空袭的目标，主要是军事要地和机场，此后则改变为以打击中国政治、经济中心为主，以打击军事目标为辅的方针。
1938年12月26日第1次空袭重庆后，即不断空袭兰州、成都、宜宾等后方城市。1939年2月上旬，开始轰炸延安。中国空军在迎击和反击的战斗中，曾取得一些战果，不断击落日机。11月4日，日海军第13航空队72架飞机袭成都时，其司令官奥田喜久司被中国空军击毙。10月3日、14日，苏联志愿航空队两次空袭武汉日军机场，共炸毁日海军飞机70余架，志愿队飞机仅受伤3架。但总的来说，由于实力悬殊，中国空军损失甚巨，特别是在日机频繁的空袭下，后方人民的生命财产遭到空前的浩劫。尤以重庆所受的破坏更大。如5月4日的空袭，炸毁房屋1200余栋，居民死亡4400余人，负伤3100亲人。
1940年初，中国空军尚有战斗机112架、轰炸机49架。撤销了第2、第6大队的番号，保留第1、第3、第4、第5、第8大队和直属第1、第25中队。在苏联购买的飞机，因交通困难，难以及时补充消耗。第二次世界大战爆发后，欧洲局势日趋紧张，苏联为求自保，更无力向中国供应飞机和航空器材。中国空军的处境，更为严峻。据中国《空军游击计划及作战计划》记载，至1940年8月，中国空军所剩的各式作战飞机仅有61架。国民政府认为，1940年“是抗战中空军作战最黑暗的时期”。
1940年，据日军5月间统计，在华日军陆海军航空兵的作战飞机共有408架（不包括东北地区和台湾地区）。日本大本营为尽快迫使国民政府屈服以早日结束中日战争，5月间决定进一步加强对中国的政略、战略轰炸，发动一次代号力“101”的大规模空袭，使用飞机297架，以汉口、运城为主要基地，集中轰炸重庆和成都。5月18日开始，9月4日方告结束。本来在数量上中国飞机就处于绝对劣势，当日海军“零式”战斗机使用于中国战场后，中国空军面临的形势更为严峻。“零式”战斗机装备有机枪4挺和轰炸，射击瞄准仪，可载60公斤航弹2枚，爬高速度与续航力等都较当时中国使用的苏制n-15和n-16驱逐机为优。
1940年9月13日，中国空军34架驱逐机与日军13架“零式”战斗机在重庆附近上空空战，中国飞机被击落13架，击伤11架，而日机仅有数架受伤。这次空战是中国n-15、n-16驱逐机与日军“零式”战斗机的第一次交锋，也是抗战以来中国空军最惨亘的一次失败。这次空战之后，中国空军为减少损耗，下令飞行员避免与日战斗机正面交锋。日机来袭时，经常提前起飞避警。因而，中国的制空仅完全落人日军航空兵手中。1940年内，日机进袭四川达102次，出动飞机3050架次，单对重庆就轰炸了49次，而且每次飞机多在100架左右。10月间，对成都的一次空袭，竟有数架日机在其“零式”战斗机掩护下，降落在成都机场，飞行员下机纵火焚烧停放在机场边上的中国教练机后，再登机起飞。据日军统计，“101”号作战的110天内，日机与中国飞机空战607架次，击落中国飞机117架（内14架未证实），炸毁65架；日机被击落16架，受伤387架。据中国空军统计，1940年全年，包括“101”号作战在内，中国空军共进行空战61次，使用飞机1084架次，击落日机32架，击伤日机22架，中国飞机被击落、击毁29架，损伤64架。
中国抗战之初，美国对日本采取所谓中立的绥靖政策，没有给与中国任何实际支援，反而供给日本战略物资，随着侵华战争的扩大，美国的在华利益受到损害，日军占领武汉后，日美关系逐渐发生变化。1938年11月30日，日本内阁御前会议确定要建立“东亚新秩序”，这就完全否定了美国“门户开放，机会均等”的政策，不仅关系到美国在华的利益，而且关系到美国在东南亚的利益。12月30日，美国政府写信给日本政府，说“美国政府不承任何一个国家，有必要、或有理由在不属于它的主权的地区内，规定一个新秩序的内容与条件，并自命为这个新秩序的掌权者及施令者”。从1940年1月起、美国开始对日本实施军火限制。
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