為了粉碎美空軍的“絞殺戰”計劃，從9月起，誌願軍空軍開始以師為單位，采取輪番進入一線機場和由少到多、以老帶新、老新結合、先打弱敵、後打強敵的辦法陸續參戰，先後出動9個殲擊航空兵師、2個轟炸航空兵團的兵力與美空軍進行了上百次的大規模空戰。
9月25日，再次進駐前線機場的誌願軍空軍第四師首先與美空軍大機群展開激烈空戰。
當時，我方發現美空軍五批112架的戰鬥機和戰鬥轟炸機編成的混合機群，向清川江大橋進犯。
為了保衛連接中、朝軍隊前後方的咽喉要道，空四師出動32架米格-15殲擊機與美機展開激戰。副團長李文模率領的16架飛機在新安州上空突然與二十多架美機遭遇，相距僅1000米，來不及展開兵力就投入了格鬥。
這次空戰是與美空軍大規模空戰的開始。在此後的5天空戰中，誌願軍空軍與朝鮮空軍配合，擊落美機26架，擊傷8架。
美空軍在朝鮮戰場上的空中優勢受到了重創。
毛澤東主席看到空四師的戰報後，欣然寫下：
空四師奮勇作戰，甚好甚慰。
10月份，空四師又連續與美空軍進行了6次大規模空戰，而且一次比一次打得好。尤其是10月5日和10日的兩次戰鬥最為出色。
這兩次戰鬥，空四師共出動飛機80架次同美機空戰，擊落美機8架，擊傷3架，而自己僅被擊落1架。隨後，空四師於10月20日奉命轉回沈陽休整。
就在空四師奉命調回二線休整的同一天，空三師開赴安東前線。初次參戰，他們就以勇敢頑強的戰鬥精神取得戰果。11月上旬，他們連續與美空軍分散活動的小機群空戰5次，擊落擊傷美機8架，自己僅輕傷1架。從中旬以後，又開始與美空軍大機群作戰。
由於我飛行員作戰勇敢，取得擊落F-86飛機9架、F-84飛機4架，擊傷F-86飛機2架的戰果。飛行員羅滄海在12月5日的戰鬥中，創造了開炮距離340米、240米、145米，接連擊落美機3架的近、準、狠射擊範例。
此後，空三師多次參加對美機的大規模空戰，愈戰愈勇，並取得突出戰績。該師在86天的輪戰中，共擊落擊傷美機64架。
對空三師取得的戰績，毛澤東主席非常高興地寫下了勉詞。
向空軍第三師致祝賀
空三師九團一大隊在抗美援朝作戰中，共擊落擊傷敵機29架，榮立集體一等功，被譽為英雄的“王海大隊”。
1952年1月26日，空三師退出戰鬥的第三天，空四師又轉入一線作戰。在一次與美機群格鬥中，該師第十二團三大隊大隊長張積慧一舉擊斃美國“空中英雄”戴維斯。
此戰政治影響很大，美國遠東空軍司令威蘭中將在一項特別聲明中承認“戴維斯被擊斃，是對遠東空軍的一大打擊”，“是一個悲慘的損失”。美國國會議員為此又對朝鮮進行的戰爭爭吵不休。戴維斯的妻子也向美國空軍當局提出了強烈抗議。
為表彰張積慧，中國人民解放軍總政治部將其事跡通報全軍，並給記特等功一次。
從1951年9月至1952年5月，我誌願軍空軍先後擊落敵機123架、擊傷43架。
誌願軍空軍大批部隊投入戰鬥，沉重地打擊了侵朝美空軍，使其所謂“絞殺戰”計劃徹底破產，美遠東空軍司令威蘭中將不得不承認對交通線進行的空中封鎖越來越困難了。
1953年7月27日，朝鮮戰爭宣告結束。誌願軍空軍在曆時兩年零八個月的抗美援朝作戰中，勝利地完成了掩護交通運輸、保衛重要目標和配合地麵部隊作戰的任務。他們不僅經受了嚴酷的戰爭考驗，在戰鬥中成長壯大起來，而且立下了不朽的戰功。