第22、第23中队担任主攻，第21中队负责掩护。顷刻之间，一场激烈的空战打响了。中国空军使用的И－15和И－16驱逐机是清一色苏制装备，与日军的九六式战斗机相比，各有千秋。И－15和И－16的火力要比九六式强，И－16的速度也超过了九六式，但И－15和И－16的机动性要稍逊于九六式。
第4大队的空中勇士们驾驶战机，以一个军人对国家和民族安危的责任感，勇敢地冲入敌阵。第21中队的董明德、杨弧帆、柳哲生、刘宗武组成的４机编队首先咬住一架日本九六式战斗机。4个人驾机互相掩护，协同作战，一阵穷追猛打将其击落。柳哲生协同战友首开纪录后，随即又发现多架日机正在跟踪中国空军的飞机编队，情况万分危急。他毫不犹豫地一个急转弯，调转机头，加大油门，咬住其中一架日机，一阵猛射，把这架日机打得凌空爆炸。这时，他的另外3名战友又各有所获，一人又击落一架日机。在第21中队与日机缠斗的同时，第22中队的И－15机群也与12架日军飞机遭遇。6架日机从尾后咬住了第22中队的前6架飞机，另外6架日机咬住了后面的5架飞机。
这时候，日机不仅在数量上占优势，而且在战术位置上也居主动地位。面对不利的形势，大队长李桂丹沉着冷静，指挥第22中队与日机周旋。他们凭借И－15的火力优势与日机展开空中格斗。一两个回合后，就形成了单机混战的态势。中队长刘志汉首先击落一架日机。其他飞行员也英勇作战，或智取或强攻，相继击落日机4架。
苏联空军飞行员
从孝感机场起飞的第23中队的8架И－15驱逐机编队在索敌时，发现多架日机正向第22中队的飞机进行攻击，中队长吕基淳当即率机群向日机猛扑过去。一番混战，23中队也击落2架日机。
这是一场机群对机群的大规模空战，双方几十架飞机混战在武汉上空。从高度5000米到几百米，上下翻飞，相互追逐缠斗。飞机发动机的轰鸣声、枪炮声、爆炸声交织在一起，空中硝烟翧翧。一架架日机拖着浓烟坠入田野、江中，一顶顶降落伞摇晃着从空中飘落到地面。
中苏空军当年使用过的飞机
整个空战历时12分钟，第4大队击落日机正好是12架，真是奇妙的巧合。然而，这一胜利来之不易，第4大队也付出了血的代价。大队长李桂丹在掩护战友攻击日机时，不幸被一架从后面偷偷摸过来的日机击中，当场阵亡。中队长吕基淳，飞行员巴清正、王怡、李鹏翔4人也血洒长空，献出了自己的宝贵生命。飞行员张光明的飞机被日机击中29处，自己身负重伤，但仍以顽强的毅力驾机返回机场。
12分钟击落12架日机的胜利喜讯迅速传遍武汉三镇的大街小巷，百万军民无不欢呼雀跃。2月21日，武汉各界民众万余人举行集会和游行，"庆祝空捷，追悼国殇"。中共中央和驻武汉的第18集团军代表周恩来、陈绍禹、董必武、叶剑英等出席集会并敬送挽联，上书：“为五千年祖国英勇牺牲，功名不朽。有四百兆同胞艰辛奋斗，胜利可期。"这情真意切的挽联充分表达了中国共产党人对为民族献身的空军烈士的崇敬和悼念之情。
