1950年6月，韓戰突然爆發。開始，北韓以金日成為首的人民軍進展順利，很快將南韓軍隊趕到朝鮮半島最南部。但是當年9月，以美國為首的多國軍隊以聯合國的名義突然在朝鮮的仁川附近登陸。接著，人民軍連連失利，聯合國軍迅速殺到鴨綠江邊。在金日成的屢屢請求下，以彭德懷將軍為首的我國人民志願軍跨過鴨綠江，來到朝鮮半島和人民軍一起抗擊美軍。
當南韓軍隊向南撤退的時候，美軍投入大批戰機掩護他們，在一定程度上遲滯了北韓人民軍的攻勢。當聯合國軍北上以後，美軍和其他國家軍隊投入不下1200架飛機，對北韓軍民進行狂轟濫炸。北韓境內，無論大小城鎮幾乎全部被炸，大小交通樞紐也被嚴重破壞 。不計其數的北韓軍民，包括志願軍的許多官兵也被炸死或者炸傷，甚至包括志願軍一些團級以上幹部。
在這個背景下，中央給了人民空軍三個任務：1組建志願軍空軍，支援地面部隊作戰。2準備同蘇聯空軍一起作戰，同時學習蘇聯空軍的長處。3派人去朝鮮修建機場，以保衛三八線以北一切地區。在當時，蘇聯派出了空軍一個軍攜帶約300架飛機來支援志願軍作戰。很快，志願軍空軍成立了，首任司令員是劉震將軍，他曾經擔任過第39軍首任軍長，後來升任為空軍副司令員。
在中央的命令下，人民空軍的動作很快，一邊向蘇聯求援購買一批噴氣式飛機。同時，派出空軍副司令員常乾坤來到朝鮮修建機場。接著，華東軍區空軍一個混成旅經過換裝，被改編為空4師，來到東北地區。在當時，志願軍空軍只有不到200架飛機，加上蘇聯空軍也才500多架飛機。我們的飛行員，每個人的飛行時間基本不超過100個小時，志願軍空軍算是一窮二白。
無論是飛機的數量還是飛行員的飛行經驗，我們都遠不如美軍。美軍的飛行員，飛行時間通常都在600個小時以上，甚至上千小時。大約有1/3的飛行員還參加過二戰，1/2的飛行員能夠在比較複雜的條件下作戰。另外，各種保障條件和配套設施也遠不如美軍。但是志願軍空軍並未被困難嚇倒，反而先後在東北和朝鮮修建大批機場，同時一直在抓緊改裝訓練，隨時準備投入實戰。
按照部署，蘇聯空軍在後，志願軍空軍在前。蘇聯空軍在二線在高層進行掩護，志願軍空軍在一線在低空作戰，而且彼此之間配合默契。並且在蘇聯空軍的幫助下，志願軍空軍從上到下完成一些最基本的調整和訓練，還組建了幾個裝備米格15型噴氣式飛機的殲擊師。經過緊張的準備工作，1950年12月，空軍司令員劉亞樓將軍命令空4師一部進駐遼寧丹東，準備正式入朝作戰。
空4師來到丹東以後，進行了多次飛行訓練，逐漸熟悉東北和朝鮮的地形和航線，並且逐漸熟悉美軍空軍的活動情況和作戰特點。然後，劉亞樓將軍鄭重向這個師提出一定要重視首戰，並且打好第一仗的要求。1951年1月底，空4師一個大隊進入朝鮮境內。經過激戰，我軍在兩天內擊落和擊傷三架敵機。首戰告捷，大大振奮志願軍空軍的殺敵信心和報國熱情，也感染了全國人。
分析和匯總首戰的經驗和教訓以後，劉亞樓將軍提出這麼一個方案：先在蘇聯空軍的掩護下作戰，然後再單獨作戰。先打力量弱小的小機群，再打性能優越的大機群。中央很快同意這個方陣，並且迅速下發到志願軍空軍全軍。據統計，我軍前後有12個航空兵師來到朝鮮作戰，並且很快獲得最寶貴的作戰經驗。其中，戰績最好的是最早入朝作戰的空4師，師長是方子翼將軍。
空4師先後擊落或者擊傷不下80架敵機，湧現出上千名英雄。例如飛行員張積慧，沒有任何參戰經驗，飛行時間也不到120個小時，卻擊落美軍的王牌飛行員戴維斯。戴維斯參加過二戰，有著3000多個飛行小時，作戰不下260架次的輝煌歷史。他的死對於美國空軍來說，可謂是一次特別沉重的打擊。後來，張積慧擔任過空軍副司令員，師長方子翼擔任過廣州軍區空軍副司令員。
從1952年4月開始，空4師帶著兄弟部隊聯合作戰，算是徹底結束由蘇聯空軍帶領作戰的歷史。除了這個師以外，空3師的戰績也很突出，這個師先後擊落或者擊傷大約70架敵機。其中的王海大隊，戰績為17架敵機。其中的劉玉堤，戰績為7架戰機，算是志願軍的王牌飛行員。後來，王海擔任過空軍司令員，劉玉堤擔任過北京軍區空軍司令員，這兩人都是人民空軍的戰鬥英雄。
根據空軍政委吳法憲的回憶，在近三年時間裡，志願軍空軍一共擊落或者擊傷大約400架敵機。至於蘇聯紅軍投入一個軍，其戰績要比志願軍空軍這個徒弟好一些。至於志願軍空軍的損失，可能超過了美國空軍。官方資料則顯示：志願軍空軍的戰績為425架敵機，其中擊落330架飛機，擊傷95架敵機。我軍損失231架飛機，還有151架飛機被擊傷。以上數據，僅供大家參考。
在韓戰中 ，志願軍空軍先後有8000多人獲得三等功以上功勳，300多個單位獲得集體三等功以上功勳。其中，有兩個單位獲得集體一等功，有6個單位獲得集體二等功。有一等功臣68人，特等功臣16名。其中的王海、張積慧、劉玉堤等人，後來成為人民空軍軍以上幹部。1988年，王海時任空軍司令員，被授予上將軍銜。張積慧擔任過空軍副司令員，但是在1980年轉業。
吳法憲將軍在回憶錄里總結過我軍獲勝的經驗：1有蘇聯空軍的支援和掩護，還有耐心帶教。2美國空軍基本不過鴨綠江，因此我軍能夠抓住主動權。3志願軍空軍以戰養戰，不斷總結經驗和教訓，不斷改進戰術和技術。4志願軍的飛行員有靈活機動的戰術，還有拚命精神。5一邊參戰，一邊擴建部隊，同時集中使用有經驗的飛行人員。6全國人民的援助，足夠購買幾千架飛機。
當然，中央的正確領導和指揮還有大力支持，志願軍指揮層的付出，也是重要因素之一。在當時，志願軍空軍上報的事情，中央一直是隨到隨批，從不拖延。中央曾經為了解決空軍缺乏裝備的問題，特意用準備購買艦艇的外匯去購買飛機。至於人民空軍，主要負責朝鮮和東北方向的有劉亞樓、劉震、聶鳳智、段蘇權等人。在朝鮮修建機場的負責人，則是空軍副司令員常乾坤。
1955年，在空軍黨委的領導下，人民空軍進行了評銜工作。空軍出了兩位上將，分別是空軍司令員劉亞樓和副司令員劉震。志願軍空軍出了以下將軍，例如：司令員劉震上將，副司令員段蘇權少將，副司令員常乾坤中將，代司令員聶鳳智中將，政委周赤萍中將，參謀長沈啟賢少將，政治部副主任李世安少將，衝擊指揮所司令員徐德操少將，衝擊指揮所政委吳富善中將……