据史料记载，飞虎队首次作战是在1941年12月20日。空军前敌总司令部电讯监察台侦测到，日本82中队10架九九式轻轰炸机在毫无护卫下由越南起飞轰炸昆明。监察台总台长陈一白将军急告陈纳德，飞虎队所有战机升空迎击，拦击10架入侵日机，日机因无护航战斗机故弃弹返回。日军因缺乏护航战斗机，之后一年中西南地区都没有见到从越南发起攻击的轰炸机队。
飞虎队第三中队则在日本对英美宣战后，保卫缅甸仰光。在1941年12月23日至25日的日机轰炸中，飞虎队第三中队声称“击落约90架轰炸机”。之后各中队轮流驻守仰光，协防英军，直至1942年3月仰光陷落后撤回中国，并自毁了维修中的22架P-40型战斗机。
由于飞虎队于1941年12月20日的空战中取得了自日本零式战斗机肆虐中国战场以来的首次空战胜利，随后在缅甸战场上盟军失利时又算是一个少有的既能够创下较多击落日机战果又能体面撤出缅甸的盟国单位，因而在太平洋战争初期，受到美国与中国的大力宣传。
但按照日方的记录，零战第一次被击落是1941年5月20日在成都上空，12航空战队飞行员木村一一空曹毙命；6月23日，12航空战队的小林喜四郎一等航空兵在兰州上空被击落，击落他们的均为地面高射炮，而不是中国空军的战斗机。
国民党官方认为，有299架日军飞机和1000名日本飞行员在与飞虎队交手时遭到击落或在地面上被击毁，因此创造了18位王牌飞行员。
1942年7月3日，陈纳德根据美国陆军部和蒋介石的命令，解散美国志愿援华航空队，组建隶属美国陆军第10航空队的第23大队。至于那些与中国“感情深厚”的飞行员，除少数继续留在中国外，大部分选择回到美国。
据称，在他们参与的31次空战中，飞虎队队员以“5至20架可用”的P-40型战斗机共击毁敌机217架，自己仅损失了14架，5名飞行员牺牲，1名被俘。但根据当时日本陆军航空队在缅甸战场上的部署以及日方的战损资料来观察，飞虎队所取得的战果不会超过115架日本战机，其中还包括英国人的战果，而自身则损失了80架战斗机。交换比上虽然略高于日军，但总体并不乐观。当然在国民政府宣传中，这一战果被注水到击落268至299架敌机，并按这一记录发放了奖金。
毫无疑问，陈纳德所领导的飞虎队在中国抗日战场上所起到的作用是巨大的，打击了日寇的制空权。宣传了中国人民的抗日决心和浴血战斗的壮举，让许多原本抱有旁观心态的美国人同情进而支持中国人民的抗日战争事业。
