20日，是中國空軍揚眉吐氣的一天。下午1時50分，劉粹剛不顧連續作戰的疲勞，奉命率領全部人馬，再度轟炸上海虹口的日軍兵營和陣地。9架霍克三式驅逐機組成V字隊形，攜帶著沉重的炸彈，冒著日軍密集的高射炮火，直入敵陣，一刹時，炸彈象雨點似地呼嘯而下，多數命中。勇士們正擬返航，突遇敵驅逐機2架，在雲層下鬼鬼祟祟地伺機偷襲。劉粹剛下令擺開陣勢，集中火力，務殲敵機。他抖擻精神，單機直入。敵長機十分狡猾，在雲層上下時隱時現，但還是被劉粹剛咬住了，在有效射程之內，劉及時按動扳機，四挺卡兒脫機關槍噴出4條憤怒的火舌，直射敵機，旋將敵長機擊落。敵僚機情知有死無生，哪敢怠慢，加快航速拚命地逃跑，劉粹剛和隊員們奮起直追，怎奈敵機鑽入雲層，未能搜尋到。劉粹剛隨即率隊飛返揚州。誰知在返航途中又揀到一件“洋撈”，隻見一架從長江口外日本航空母艦上起飛的水上雙座偵察機，在雲層下窺視我方陣地的情況。劉粹剛哪肯放過這絕好的戰機，不容分說，加大油量奮勇直追。敵機可能知道今日遇上了強手，不敢戀戰，忙不迭地逃往長江口外，妄圖尋求航空母艦的庇護或緊急降落。但是，隨著“2401”號機馬達震耳欲聾的轟鳴聲，劉機已追擊到敵艦上空，又是一陣猛烈的射擊，敵水上雙座偵察機就象平時演習的空中飛靶一樣，中彈起火，搖搖晃晃地栽落在長江口內。
劉粹剛在一天之內擊落兩架敵機，創造了中國空軍罕有的戰績。
從8月23日起，第5航空大隊的主要任務是往返上海、南京之間，繼續配合上海守軍的淞滬抗戰，兼及保衛南京領空。這天，劉粹剛率霍克機四架，由南京出發，掩護友機轟炸在吳淞口登陸的日軍及運輸艦。這時，日本航空隊的5架驅逐機前來攔截我轟炸機群，劉粹剛首當其衝，駕機迎戰，即擊落敵驅逐機一架。僚機隊員袁葆康也不怠慢，學著劉隊長的樣子，一陣急射，另一架敵機被他擊中起火，墜地爆炸。
此時，日軍繼續增兵上海，大批日軍在吳淞口等地登陸抵滬，與淞滬之中國守軍展開激戰。上海戰爭的重心移至吳淞、羅店、大場一帶。馮玉祥、顧祝同、張治中統率的三路大軍一致要求空軍給予大力支援，第5航空大隊奉命將全部兵力指向揚子江畔，以支援地麵作戰的部隊。一連十幾日，劉粹剛和隊員們都沒有休息，連續作戰，屢立戰功。
9月6日，5大隊全部出動，在瀏河附近繼續轟擊日軍登陸部隊，劉粹剛的24隊和友軍的霍克三式驅逐機，以龐大的陣容和猛烈的轟炸，先後擊沉掩護登陸的3艘日本兵艦，予登陸日牢以重大殺傷。8日，5大隊乘勝出擊，轟炸敵艦“出雲”號。12日，劉粹剛率霍克機五架，冒著敵人的炮火，在長江口內重創日軍巡洋艦一艘。14日，劉粹剛率隊轟炸上海郊外的日本派遣軍貯藏軍需品的倉庫。劉機投下數枚重磅炸彈，該日軍倉庫起火被炸毀。
從9日起，日軍航空隊不斷擴大對南京的空襲。日軍每次襲擊南京的機群，少者十幾架，多者四、五十架，采用多數梯形波狀的襲擊方式，使南京空防日益困難，不時就會響起防空警報。5大隊的勇士們一方麵要積極支援上海守軍，一方麵還要迎擊空襲南京的敵機，使空戰更加頻繁、激烈而殘酷了。到9月13日以後，國民黨淞滬戰場戰事吃緊，日軍不斷增兵。淞滬第一線中國守軍被迫撒至第一道防線，日本上海派遣軍的航空隊因而獲得陸上根據地，以此為依托，使日本在上海東戰場的空軍實力，驟增數倍。據統計，抗戰伊始，日本擁有各種作戰飛機4000多架，中國隻有作戰飛機305架。在上海方麵，日本空軍占有明顯的優勢，其空軍兵力有上海派遣軍特設航空隊所屬的木更律航空隊(後移駐台北新竹機場)和鹿屋航空隊，以及第5支航空隊；第一航空隊的“鳳翔”，“龍驤”航空母艦和所屬的第2航空隊的“加賀”航空母艦，還有上海派遣軍直屬的第3飛行團所轄的5個獨立飛行中隊。無論數量上還是性能上，日本空軍均占優勢地位。在敵眾我寡、敵強我弱的情況下，中國空軍不得不采取避實就虛的遊擊戰法，與日本空軍周旋作戰。為了防止敵大機群的空襲和決戰，我空軍隻好經常調動，打一仗就調換一個飛機場，使敵人摸不清我方的動向和實力。所以，劉粹剛經常率隊轉戰滬、寧、杭、揚等地，出其不意地打擊敵人。由於戰事日益緊急，敵龐大機群經常來襲，空軍地麵後勤供應的物資如食品、彈藥、機油等，有時供不應求，中國空軍的勇士們在如此艱難危急的戰鬥、轉移中，還要克服物資缺乏所帶來的困難。