日陸軍、海軍航空兵的作戰概況徐州會戰開始前，日本大本營“大陸指”第59號命令中之“陸、海軍航空協定”規定：“(1)在華北方麵的航空作戰，主要由陸軍擔任之。(2)在華南方麵的航空作戰，主要由海軍擔任之。(3)在華中方麵，消滅敵空軍，由陸、海軍協同擔任之；陸海軍各自作戰直接需要航空作戰時，分別由陸、海軍各自航空部隊擔任之。目前預定使用兵力(根據情況發展可以變更)為：陸軍航空兵偵察2個中隊(18架)、戰鬥3個中隊(36架)、轟炸2個中隊(15架)，海軍航空兵艦上戰鬥機3個中隊(36架)、艦上攻擊機1個中隊(12架)、中型陸基攻擊機2個中隊(2台兒莊攻擊失敗、準備發動徐州會戰時，陸軍航空兵又增加偵察8個中隊、戰鬥3個中隊、轟炸7個中隊，海軍航空兵增加第14航察隊、高雄航空隊、第2航空戰隊及蒼龍飛行隊等。總計有作戰飛機250餘架。南京失守之後的一段時間內，由於中國空軍尚未完成補充與重建，各戰場的製空權基本上掌握在日軍手中，日航空兵除直接支援其地麵部隊作戰外，還經常對中國後方重要戰略基地進行戰略轟炸。但1938年2月18日在武漢上空遭中國空軍痛擊，被擊落11架；25日，日軍59架飛機轟炸南昌，又被擊落8架。此後日軍暫時減少了戰略攻擊(3—4月，僅在3月11日以30架飛機轟炸了西安)，主要進行直接支援地麵的戰術攻擊作戰，如2月8日第3飛行團以20架飛機轟炸小蚌埠中國守軍，支援其第13師團強渡淮河；3月17日第1飛行團以20餘架飛機轟炸滕縣中國守軍，支援其第10師團攻擊滕縣城等。至臨沂及台兒莊戰鬥時，日軍航空兵則極活躍，基本上每日都出動飛機支援第一線部隊戰鬥。據日軍統計，從4月初至5月末的2個月中，僅“華中派遣軍”方麵的航空兵，為支援其地麵部隊進行徐州會戰，共出動飛機1800餘架次，投擲炸彈900餘噸。當日軍飛機增加後，又開始了對武漢等地的戰略轟炸，同時也增加了所謂航空擊滅戰的任務，即轟炸中國空軍的基地和進行空戰，以期消滅中國空軍。但由於中國空軍及蘇聯航空誌願隊的英勇戰鬥，在整個徐州會戰時期，日軍不僅並未達到擊滅中國空軍的目的，反而被擊落數十架飛機，這在一定程度上削弱了日軍的空中支援能力。(二)中國空軍的作戰概況淞滬會戰中中國空軍損失巨大。至南京保衛戰後期，中國空軍可用於作戰的飛機不足30架。國民政府航空委員會西遷(先至衡陽，又至貴陽、成都，最後在重慶)，並於1938年3月間進行了改組，設參事室、顧問室、主任辦公室及軍令、技術、總務、防空4個廳。飛行人員一部分調往武漢、南昌等地，一部分赴蘭州地區接受蘇聯教官的短期訓練。國民政府用蘇聯貸款購買的蘇聯飛機，從1937年11月底開始陸續運至中國，中國空軍得到了新的補充。截至徐州會戰開始前，中國空軍作戰飛機的總數已有217架(其中波利卡爾波夫E-15雙翼戰鬥機97架，E-16下單翼戰鬥機62架，圖波列夫SB-2輕轟炸機47架，TB-3重轟炸機及其他型號的飛機11架)。它們分別駐在南昌、武漢、西安、蘭州、武威、酒泉、襄陽等地機場。另外，2月7日中蘇簽訂了《軍事航空協定》，蘇聯支援中國抗戰，來華參加作戰的蘇聯航空誌願隊也到了中國，與中國空軍並肩作戰。徐州會戰期間，中國空軍的主要任務是進行以武漢為中心的空中防禦，同時也對日軍實施戰略和戰術攻擊。在空中防禦作戰方麵：徐州會戰期間，中國空軍在武漢、歸德、洛陽、長沙等地上空曾多次重創日軍飛機。其中最重要的是武漢上空的三次作戰。第一次，1938年2月18日，正當淮河阻擊戰和魯南兩下店反擊戰進行激烈之際，日軍轟炸機12架在26架戰鬥機掩護下(一說15架攻擊機在11架戰鬥機掩護下)空襲當時抗戰指揮中樞的武漢，駐漢口和孝感的中國空軍第4大隊大隊長李桂丹率戰鬥機29架迎擊，在漢口機場附近上空激戰約12分鍾，擊落日機11架(一說14架，另一說12架)，中國飛機也被擊落5架，大隊長李桂丹、中隊長呂基淳及飛機員巴清正、王怡、李鵬翔5人殉國。第二次，4月29日，正當徐州外圍戰鬥在郯城以南激烈爭奪之際，日轟炸機24架在18架戰鬥機掩護下再襲武漢。中國空軍第4大隊和蘇聯航空誌願隊共起飛67架迎擊，經30分鍾空戰，擊落日機21架，日軍飛行員戰死50餘人，跳傘被俘2人。中國飛行員陳懷民以負傷的座機撞擊日機，壯烈犧牲，中國空軍損失12架飛機。第三次，5月31日，正當豫東中*隊開始向豫西作戰略轉移之時，日軍轟炸機18架、戰鬥機36架再一次襲擊武漢。中國空軍與蘇聯航空誌願隊並肩作戰，共起飛48架，經30分鍾激戰，擊落日機14架(一說15架)，中國空軍僅損失2架飛機，陣亡中、蘇飛行員各1名。
在戰略攻擊方麵：中國空軍曾對台北及日本本土進行過兩次突襲，造成很大影響。1938年2月21日(一說23日)淩晨，中國空軍駐漢口的蘇聯誌願隊28架轟炸機飛越台灣海峽，7時許到達台北鬆山機場和新竹大電力廠上空進行俯衝轟炸。這一行動完全出乎日軍意料之外，日方毫無防備。直至9時前後，日軍飛機才飛到台北上空，但誌願隊已完成轟炸任務，並在台北市低空環飛一周後飛回中國。這次突襲，炸毀日海軍第一聯合航空隊鹿屋航空隊飛機12架及倉庫數座，並使新竹大電力廠遭到嚴重破壞。1938年5月20日，在中*隊安全撤出徐州包圍圈，日軍大肆宣揚徐州會戰殲滅中*隊主力時，中國空軍直屬第14中隊徐煥升及餘彥博帶領隊員，駕駛2架馬丁B-10重型轟炸機自寧波櫟社機場起飛，到達日本九州上空，沿途經過熊本、久留米，福岡、佐世保、長崎等城市，散發了幾十萬張傳單，於11時安然返回漢口基地。這是日本有史以來第一次受到其他國家飛機的襲擊。〔80〕1937年8月15日，日海軍第一聯合航空隊木更津航空隊以20架96式陸基攻擊機從濟州島起飛，襲擊中國南京時，曾自詡為“第一次渡洋爆擊”、世界最初的“戰略航空作戰”等，〔81〕萬萬沒有料到中國空軍轟炸機竟能跨過大海，遠征到日本本土。全世界報紙都以大字標題報道了這一消息，許多國家的新聞媒介稱之為中國空軍的“人道遠征”，說明此舉在政治上、心理上起到重大作用。在戰術攻擊方麵：中國空軍雖然因飛機數量太少，較少直接支援地麵部隊作戰，但亦進行過許多積極行動。在徐州會戰期間，曾多次轟炸南京、蕪湖、廣德、杭州、新鄉、蚌埠等處日軍機場。如1938年2月初，正當日軍“華中方麵軍”第3飛行團以杭州為基地，支援其第13師團猛攻淮河北岸中國守軍時，中國空軍襲擊了杭州機場，擊毀敵機數架。在台兒莊地區戰鬥期間，還曾多次直接支援地麵戰鬥，並於3月24日以轟炸機14架轟炸了韓莊、臨城日軍，4月4日以轟炸機和戰鬥機27架轟炸了台兒莊東北、西北敵人陣地，4月9日以9架飛機轟炸從嶧縣後退的日軍，10日以飛機18架轟炸退至棗莊的日軍等。在豫東地區戰鬥期間，還曾轟炸過三義寨、馬牧集的日軍，並阻滯了日軍第1軍對其第14師團的增援等。