早在30年代抗日战争爆发前，国民政府就在衡阳修建了机场，新机场选在距离市中心两公里处湘江东岸的八甲岭一带，之后开通了湖南省内的地方民航班机。抗战爆发后，张治中来到衡阳，又对机场进行扩建，扩建后的机场长1650米，南面宽300米，北面宽900米，呈梯形状。

日军航空兵同样很早就盯上了衡阳机场，1937年10月中旬开始，日军陆屋航空队就多次起飞来衡阳上空骚扰，轰炸机场和火车站等要地。南京沦陷后，明故宫机场的飞机第一修理厂迁往衡阳，装备格罗斯特“斗士”战斗机的空军第29中队也在队长黄新瑞的率领下进驻衡阳机场，之后28中队也来到衡阳。

英国格罗斯特“斗士”战斗机

1938年2月17日，日军鹿屋航空队经过侦查后发现衡阳机场有中国军队30多架飞机。第二天，鹿屋航空队出动9架96式轰炸机飞到衡阳轰炸，第28中队起飞3架霍克三战斗机在3千米的高空警戒，发现了日军轰炸机群在2600米高空飞向衡阳，中国空军立即俯冲扫射，日军遭到攻击，慌忙投弹后匆匆撤离，有几架轰炸机被击伤，但中国空军由于油料不足，未能乘胜追击。2月21日中午，陆屋航空队再次出动12架96式轰炸机空袭衡阳机场，甚至丧心病狂的把炸弹扔进附近的医院和学校，机场上多架飞机都遭到损坏，但事后都可以修复，跑道也受到损伤。中国空军霍克三战斗机起飞迎战，日军一架轰炸机的发动机被打的冒烟漏油，其他轰炸机也撤退了。

之后一段时间，中国空军有更多的战机进驻衡阳机场，当时的空军顾问陈纳德也来到衡阳指导中国空军训练，而日军对衡阳的轰炸一直在进行着，粤汉铁路是当时中国物资运输的大动脉因此多次遭日军的光顾。

1938年8月18日，日军海军第2联合航空队第13航空队18架96式轰炸机和高雄航空队的9架96式轰炸机，从南京大郊机场出发，气势汹汹的向衡阳扑来。中国空军第3大队大队长吴汝鎏率领7架伊15战斗机，第25队队长汤卜生率3架霍克75m战斗机起飞迎战。吴汝鎏首先率领5架飞机对日军机队强攻，有2架日机被击中冒烟，慌忙投弹后匆匆逃走，中国空军副中队长黄昌琳和飞行员莫大彦在空战中负伤。同时，汤卜生也像日机多次发起猛烈攻击，单枪匹马的对抗日军9架飞机，消耗很少的弹药就击中1架日机，但自己也陷入日机密集的火力中，飞机被击中起火后坠落于莲花县境内，汤卜生这位在南京沦陷后单机飞往中山陵谒陵的王牌飞行员，壮烈牺牲，魂归蓝天。见状，副队长刘依钧龙颜大怒，瞄准1架日机猛烈射击将其击落，之后他接任了25中队中队长。这场空战日军飞机被击落4架，衡阳机场有数架飞机以及跑道被日军炸的受损，不过很快就被修复。

空军抗日英烈汤卜生

1938年8月29日，吴汝鎏大队长率领第3大队32中队南下南雄，第二天，南雄空战爆发，战斗中，32中队中队长朱家勋击落2架96式战斗机，但他本人也遭日机围攻负重伤，被迫离队，大队长吴汝鎏也在空战中牺牲，共击落日机6架，击伤4架。吴汝鎏大队长的牺牲对中国空军是个重大损失。

空军抗日英烈吴汝鎏

武汉会战期间，驻衡阳的中国空军多次起飞前往长江轰炸日军舰船以及各条战线上的日军阵地，支援陆军作战。10月5日，中国空军第一大队5架SB轰炸机，连同苏联航空志愿队的4架SB轰炸机，共携带50千克炸弹54枚和8千克炸弹144枚，下午3时从衡阳起飞，飞往信阳一线支援胡宗南部作战，在罗山至信阳公路附近的日军阵地投下大量炸弹，摧毁了日军不少工事给日军造成重大伤亡，日军高射炮虽然反攻，但为给中苏空军造成伤害。18时中苏空军返回降落。

10月6日，中苏空军8架SB轰炸机，在苏联轰炸机队长斯柳萨列夫的指挥下，再次北上支援武汉会战，轰炸了罗山附近的日军炮兵阵地，并击伤了1架日军战斗机，中国空军一架轰炸机被击中油箱，后在浏阳迫降。剩下的飞机返回衡阳，其中一架轰炸机油料耗尽在城外迫降，造成飞机损坏，投弹手在冲撞中牺牲。

日军为了报复，在10月8号后的三天内，多次出动飞机空袭衡阳，中国空军多架战机受损，但好在依然可以快速修复。在这几天的战斗中，苏联援华航空志愿队战斗机大队长拉赫曼诺夫单机迎战日军，被日军轰炸机的尾炮击中胸部以及左眼壮烈牺牲，遗体安葬于南京航空烈士墓。中国防空部队也向日军猛烈反击，击落日军轰炸机4架。

武汉沦陷后，日军占领了汉口的机场并迅速投入使用，对衡阳发起了更猛烈的空袭，基本上每隔几天就来一次，至11月11日，鉴于衡阳遭到的轰炸损失太惨重，中国空军决定将飞机撤退到广西的桂林和柳州。但日军对衡阳的空袭和中国空军在衡阳上空的反抗却依然没有结束。