劉粹剛自知情況不妙，決定返航，把負傷的飛機開回去。但是，敵九六式驅逐機發現劉機負傷，更是緊迫不舍。這時，仍是劉機在前，敵機在後，敵我態勢對劉粹剛極為不利，如果劉機稍有疏忽或畏懼，就會立即被擊落。為了扭轉被動挨打的局勢，劉粹剛決定先甩掉敵機，然後瞅準機會再消滅它！於是，他拉起升降舵，準備上升。但狡猾的敵機顯然識破劉機的用意，拚命壓迫劉的座機。劉機被迫愈降愈低，機身巳經低於南京城牆的高度，幾乎掠及樹梢。突然，隻見劉機一個魚躍式的動作，作一個直“8”字上升，意在甩開敵機。敵機依恃其機身較靈，爬升速度快，容易爭占高空有利地位的優勢，也依樣畫葫蘆，學著劉機作直“8”字上升，這樣反而更接近負傷的劉機了。
劉粹剛仍然處於劣勢。在這種危急的形勢下，他臨危不懼，沉著應戰，重複剛才的動作，再次作直“8”字上升，並通過彎轉曲回的動作避免座機進入敵機的有效射程和火力網內，以減少敵機射擊的機會。劉機仍然在前，敵機緊隨其後，雙方都用最大的馬力增加速度，作輾轉翻騰的惡鬥。
南京城內的老百姓也顧不得防空警報還未解除的危險，紛紛走出防空洞，成千上萬的人群在為劉機加油，呼喊，有的在祈禱，更多的人在為劉機捏一把汗，他們的心都懸起來了。敵機畢竟是張“王牌”，仍死死地咬住劉機，十分刁鑽頑固。劉機雖然使出了渾身的解數，但畢竟負傷在身，行動不便。劉粹剛暗想，這回真算碰上對手了，反正今天也該倒黴，索性拚它一場，來它個你死我活，魚死網破！劉機在七、八千英尺的高空愈轉愈低，降到2000英尺上下時，劉粹剛再一次拉起升降舵，作第三個直“8”字上升了。當這次上升的最後一個動作將完而未完時，緊緊尾隨的敵機以巨大的衝擊力直越劉機，情況突變，敵機在前，劉機在後，兩機又相距甚近。劉機反客為主，在這千鉤—發的有利時機，劉粹剛既避且瞄，將機頭一仰，把長串的槍彈射向敵機，敵機多處中彈，汽缸被擊毀，頓時墜落在南京城內夫子廟以北的一條大街上，觸及民房而粉碎。“飛將軍”駕駛著負傷的戰鷹勝利返航，安全降落在機場上。
南京人民對日機的狂轟濫炸萬分痛恨，今天目睹了這場驚心動魄的空戰，情不自禁地歡呼雀躍，欣喜若狂。在空襲警報尚未解除的時間內，萬人空巷，紛紛趕到敵九六式驅逐機墜落的現場觀看，人群中傳出陣陣歡呼聲，異口同聲地稱讚中國空軍的勇士。南京中國空軍總指揮部參謀長張有穀親自率領一批空軍機械人員，前往現場拆卸，搬運日機殘骸。他們好不容易才擠進那沸騰如潮的人群中，火速工作，爾後又費了很大氣力和口舌，在人群中勸開一條大路，運走日機殘骸和日本“王牌”飛行員的屍體。
這場空戰，打破了“大日本帝國皇軍”的九六式驅逐機“不可戰勝”的神話，大長了中國人民的誌氣，大滅了日本“皇軍”的威風，極大地激發了人們的抗戰熱情。劉粹剛的英名也由此更加聞名遐邇，家喻戶曉，成為中國空軍第一次擊落敵九六式驅逐機的英雅。就連不真心抗日的蔣介石也深表讚許，國民政府最高當局和中央航空委員會、中國空軍總部均予嘉獎。
劉粹剛的英名使不可一世的“皇軍”航空隊聞風喪膽。日本侵華航空隊的飛行員在與中國空軍作戰時，最懼怕撞見劉粹剛的“2401”號座機。日本空軍號稱“四大天王”之一的“王牌”飛行員加藤健夫上尉被擊斃後，在他的遺物中發現一本日記，他在日記中寫道，“我回憶在太湖上空與劉粹剛的2401號機遭遇戰時，他駕駛技術特別熟練而狡猾，射擊也準確，他是趙雲(趙子龍)式的勇土，尤其是在飛機即將失速、萬分危險時刻的一個巧妙的急轉彎，頃刻間使不利地位變成優勢的‘絕招’，我學會了他這手‘絕招’，也拿來訓練我的部下。”
劉粹剛在此後的3個多月裏，率部和友軍一道擊落大批敵機，其個人總計擊落日軍飛機達11架之多，創造了中國空軍個人擊落敵機的最高紀錄。同時，他還多次直接駕機轟炸、或掩護轟炸日軍司令部、兵營、陣地、倉庫、碼頭等；擊沉日軍艦船4艘，重創多艘；擊毀日軍坦克車多輛，阻擊日軍登陸部隊，殲滅了日軍的一些有生力量，有力地支援了地麵部隊的作戰，配合了淞滬戰，配合了淞滬戰場的抗戰，保護了滬、寧人民財產的安全，為抗戰做出了應有的貢獻。為了表彰他的巨大功勳，南京國民政府、中央航空委員會、中國空軍總部曾多次通令嘉獎慰勉，並頒發給他七星星序獎章和二等宣威獎章各一枚。
3.以身殉國
自抗戰爆發後，日軍大舉進犯華北、淞滬，華北方麵戰事十分危急。南口失守，雁北淪陷，忻口會戰，太原危急。以國共合作為基礎的抗日民族統一戰線成立後，陝北紅軍奉命改編為國民革命軍第八路軍，協同國民黨正規部隊在山西忻口一線設防，與友軍並肩作戰，奮勇抗敵。日軍三易指揮官，數次增兵馳援，經二十餘日攻我不下。敵軍遂改變作戰計劃，由正太線攻擊娘子關。這樣，忻口腹背受敵，太原岌岌可危。為了阻止正太線西進之敵，八路軍之129師和115師已馳援娘子關。空軍接到命令，要派一隊飛機明日出發，任務是在27日拂曉，掩護八路軍反攻娘子關。