1940年9月13日，在中国璧山上空爆发了一场惨烈的大空战。当日，日军派出56架战机轰炸重庆，我空军第3、第4大队出动25架伊—152和9架伊—16—10战机进行拦截。然而我军在璧山上空遭到了日军一种新型战机的高空伏击。日军13架新型战机突然从我机侧面万米高空居高临下快速袭来，我军3架伊—16—10瞬间被打得起火下坠。
中国飞行员知道这次遇到了劲敌，但他们仍然毫不畏惧地冲向了敌机。但是很快就发现这种新型战机速度快得像闪电，我军速度最快的伊—16—10在其面前就像一台老迈的手扶拖拉机，其机动性更是出奇的灵活，甚至比我军以盘旋格斗著称的伊—152更胜一筹，而且火力还猛的惊人。第4大队的徐吉骧（后改名徐华江）驾机技术精湛，是我军中少有的在空中格斗训练中拿过满分的飞行员，他发现自己的伊—152除了盘旋半径可以勉强与这种日机较量外，其他方面均不如对手。
虽然他将伊—152的性能几乎发挥到了极限，多次占位咬住了敌机，但是由于射击装置维护不当，导致每次射击总是慢半拍，错过了击落敌机的机会。反到被日机抓住机会，十几次击中他的座机，最后被打的迫降落地。中国飞机一架接一架冒烟、起火、坠落，半个多小时后，这场一边倒的空中格斗终于结束了。我军空中损失11架战机，迫降损失13架战机，合计损失24架，牺牲飞行员10人，受伤8人。
第3大队28中队的雷炎均中队长着陆后曾含泪叹息：“飞机差的太多，根本还不了手…”日军则毫发无损，仅仅只有几架飞机中弹受了点轻伤。而造成我军如此大损失的罪魁祸首就是当时日军首次投入实战的零式战机。
零式战机是由三菱重工的著名设计师堀越二郎于1937年开始设计，1939年4月首次试飞，1940年装备部队。由于该年是日本神武纪年2600年，因此也被称作零式战斗机。该机的成功有两个重要的因素，第一个是先进的设计理念：日军在侵华过程中发现舰载战斗机常常要和对方的陆基战斗机作战，这导致了零式战机在研制时就明确提出了要超过敌方陆基战斗机的水准，这种观点在当时的世界舰载战斗机制造业中是独一无二的。
第二个是先进的航空材料：住友金属工业公司生产了一种超级铝合金，这种铝合金比钢更硬，而且非常轻。这种材料的采用，极大的减轻了飞机的重量。同时该机采用了多种新设备，如第一个采取全封闭可收放起落架、电热飞行服，同时装备两门20毫米机炮，恒速螺旋桨、超硬铝承力构造、大视野座舱，以及可抛弃的大型副油箱等。这一切让零式战机具备了机动灵活、转弯半径小、火力猛、航程远、速度快等世界上优秀战机所能具备的几乎一切优点。
由于零式战机强大的性能，我空军为保存实力采取了避战的方式来保存为数不多的战机。但即便如此，到1940年底，我空军也仅剩65架战机。为了对抗零式战机，1941年，空军从苏联引进了最后一批93架伊—153战机，并把击败零战的希望全部寄托在它之上。1941年3月14日，日军派出12架零战护航10架97式舰攻前往成都，我军派出第5大队所有战机，会同第3大队28中队，共计31架伊—153战机迎敌。
双方在双流上空展开激烈空战，一开始由于我军占据高度优势，又是奇袭，占据了上风，但日机利用其优秀的格斗性能，很快摆脱了困境，反而在混战中击落我机8架，同时我军还迫降损失8架，合计损失16架，日方则毫无损失。我军此战牺牲了8名具有丰富对日作战经验的英雄，其中的黄新瑞和岑泽鎏还是我军少有的王牌飞行员。至此，我空军主力飞行员已损失85%以上，中国空军的骨干已经几乎不存在了。
3.14空战后，日本完全掌握了中国上空的制空权。这段时间，日机在我空中如入无人之境，1941年5月20日，一架日机迫降后被我军队缴获，运至成都凤凰山机场停放。一架零战竟乘守军不备突降机场，将那架日机浇上汽油烧掉后驾机离开。同年10月4日，日军驾驶零战在成都太平寺机场着陆，飞行员跳下飞机，将我地面用于报警、指示部队等级转进的警报旗拔起再起飞带走。
而在1942年之前，中国军队仅依靠地面高炮击落了两架零战。在苏联因自身利益停止援助，美国还未参战的1941年，我们没有任何外援，又不能自己制造先进的飞机，要想保住这最后的几十架战机，就只有选择逃警报了。这是中国空军最黑暗的时刻，也是最耻辱的时刻。
1941年8月，中国空军美国志愿大队（俗称“飞虎队”）成立，该大队成立之初装备有中国提供的100架用450万美元从美国购买的P40B战机（这批飞机是英国使用过的二手战机，移交中国时改称P40C），这是中国上空第一次出现能勉强抗衡零战的飞机。飞虎队也凭此机在战场上击落了多架零战，初步扭转了零式横行的局面。同年9月，为备战即将与美国开始的太平洋战争，日本开始逐步减少了在中国的海军航空兵力，但仍有部分零战继续留在中国。
1942年初中国空军第4大队也首次获得27架P40E战机，该机速度比零战略快，装备有6挺12.7毫米机枪，火力强大，机体坚固，抗毁能力强，综合作战性能已经无限接近于零战。此后，中国空军更是装备了P43、P51等战机，完全具备了与零战抗衡的实力。
通过俘获的多架零战，中美空军还发现了其存在的弱点：高空机动性能差、俯冲速度慢、严重缺乏装甲保护，油箱没有自封装置和灭火设备，一旦被击中很容易起火，因此也被戏称为“空中打火机”。自1943年后，零式再也没能在中国成什么气候。由于零战设计之初采用的小型机体，导致改装潜力低下，它在中国战场的地位逐步被更先进的中岛2型“钟馗”和中岛4型“疾风”所取代，自己在战争末期甚至沦落为自杀式飞机。
零式战机在问世之初，就是世界上最优秀的战斗机之一。即便是在问世两年后的太平洋战争初期，也能将同时代的美国P39陆基战斗机和格鲁曼F4F舰载战斗机打得找不到北。而中国空军落后其整整一代的苏制伊式战斗机，更是其被完全压制。
璧山空战后的第二天，蒋介石召开了紧急会议，他不顾双方飞机性能上的巨大差距，坚持认为空军“太不中用了”，要派大机群去复仇。这时第4大队刘宗武副大队长曾起立说了以下一段话：“我是航校3期，您的学生，今天为了救国家，救同胞，我万死不辞，心甘情愿，勇往直前。但是也要让日本人付出一点代价才好。我们的飞机，本来在数量上质量上都不如他们，如今他们又拿出今年新出的飞机，来打我们10年前的旧货。我们连还手的机会也没有，这样的牺牲有什么意义？我报告您以后，为服从命令，我必定战死给您看！”空军随后特别选出了9名飞行员，由刘宗武带队，驾驶着遂宁基地勉强还能飞行的全部9架伊—152向重庆方向飞去，去执行这一“敢死”任务……中国空军就是用这样的行动，兑现了誓死报国不生还的诺言。
