1951年10月中旬，為了爭取時間鍛鍊部隊，空軍抓住時機，派遣更多部隊參加實戰。空軍第3師於10月下旬進駐安東浪頭機場，接替轉回二線的空4師執行任務。
一、首戰告捷，趙寶桐空中兩開花1951年11月2日，第3師投入實戰，並於2天後迎來了首次空戰。
11月4日上午，6批128架敵機向清川江、定州、博川地區進犯，其中2批50餘架敵機於价川、寧邊方向策應。第3師7團由副團長孟進率領起飛22架米格-15迎敵，打擊活動於价川上空的F-80、F-84戰鬥轟炸機。孟進命令第1、2大隊為攻擊隊，第3大隊為掩護隊。進入戰區後，因敵機群向南脫離，沒有搜索到敵機，團長機遂決定不予追擊，但是第3大隊沒有聽到指令，仍然向南搜索前進，發現順川上空10餘架F-84（後查明實為24架）於高度4000米活動，大隊長牟敦康立即率大隊佔據高度優勢，從敵機群右側上方向敵機展開了攻擊。
由於首次實戰，缺乏經驗，長僚機協同不熟練，第3大隊一下衝入了敵機群，多數形成了單機作戰局面。但即便如此，由於出敵不意，也立即打亂了敵機隊形，爭取了戰術主動。趁敵人混亂之際，大隊長牟敦康率先擊落1架，趙寶桐單機衝入兩層敵機之間，邊規避邊擊落1架，隨後因動作過猛進入螺旋，改出後又擊落另外1架。首次空戰，第3師就取得3：0的戰績。隨後的11月9日和10日，第3師又連續出擊，擊落擊傷敵機5架，參戰3次累計擊落擊傷敵機8架，自己僅輕傷1架。趙寶桐在整個抗美援朝期間共擊落敵機7架、擊傷2架，是人民空軍迄今在實戰中擊落敵機最多的飛行員。
二、輪番上陣，王海大隊初露鋒芒初戰告捷，給第3師飛行員很大的鼓舞，在總結經驗教訓之後，全師開始展開對敵大機群作戰的準備。11月18日，第3師9團副團長林虎率領16架米格-15，起飛截擊沿平壤、順安北竄的F-84型飛機，飛至肅川上空時，發現F-86型飛機20餘架沿西海岸北飛。林虎趁敵不備，以猛烈動作從8000米高空急速俯衝，打亂了敵機隊形，形成了各個殲敵的有利態勢。
第1大隊6架飛機由大隊長王海率領，為了分割敵機群，幾次上下衝殺，使敵機群大亂，第1大隊的飛行員遂抓住有利機會發起猛烈攻擊。王海向敵機連續攻擊3次，擊落敵機2架；僚機焦景文在500-600米距離內連續向敵機進行3次攻擊，擊落敵機2架，4號機孫生祿在300米的距離上將1架敵機打得凌空爆炸。在1大隊激烈空戰的同時，3大隊也展開了攻擊，鄭蘭儒先後向2批敵機進行攻擊，擊落敵機1架。
這次戰鬥，第9團共擊落敵機6架，其中王海率領的9團1大隊擊落敵機5架。在第3師首次入朝作戰的86天中，王海率領1大隊共擊落擊傷敵機15架、自己無一損失，整個抗美援朝作戰期間，第3師9團1大隊空戰80多次，擊落擊傷敵機29架，1964年9月被命名為「王海大隊」，王海本人共擊落敵機4架、擊傷5架，後來出任空軍司令員，1988年被授予空軍上將軍銜。
三、一戰四捷，劉玉堤斬獲大四喜11月23日，第3師7團起飛20架米格-15，由副團長孟進率領迎擊敵F-86、F-84、F-80共6批116架，在肅川以南上空同敵20餘架F-84型飛機展開空戰。劉玉堤率領的第1大隊第2中隊首先追擊2架F-84，劉玉堤首先令僚機攻擊敵僚機，自己在440距離上將敵長機擊落，此時敵僚機為規避恰好從劉玉堤前方約130米處掠過，劉玉堤眼疾手快迅速攔截順手將敵僚機擊落。隨後劉玉堤由海上回到永柔以北地區上空時，在正下方發現1架敵機，正準備對其攻擊時，敵機急速降低高度企圖利用山溝逃脫，劉玉堤抓住敵機為避開山頭轉彎的時機在850米距離上將敵機擊落。
此時劉玉堤與僚機已分散，所剩彈藥也不多，遂上升轉彎準備退出戰鬥，當上升到5000米高度時，又發現清川江口有50餘架敵機，劉玉堤從敵機群後下方隱蔽接近，準備攻擊最後面的兩架敵機，當接近至200米時被敵機發覺，敵雙機左右分開脫離，劉玉堤急速右轉在150米距離上將敵僚機擊落，隨後安全退出戰鬥返航。
此一戰，第7團共擊落敵機8架、被擊傷1架，創造了8:1的戰績。其中劉玉堤單人單機一次升空擊落敵機4架，創造了噴氣式戰鬥機空戰史上的紀錄。劉玉堤在整個抗美援朝期間共擊落敵機6架、擊傷2架，總擊落數量位列趙寶桐之後，劉玉堤後來出任北京軍區空軍司令員，1988年被授予空軍中將軍銜。
四、機群作戰，羅滄海三炮三敵機隨著戰局的發展，敵裝備F-86的聯隊增至2個，機群數量也隨之增大，第3師遂於11月底開始打擊敵大機群，12月2日首次參加了雙方300架飛機的大空戰，第7團22架飛機為攻擊隊、第9團20架飛機掩護。空戰中趙寶桐再次擊落敵機2架，但返航時被擊落，趙寶桐跳傘後安全回到部隊。此戰擊落敵機3架、擊傷1架，被擊落2架、犧牲飛行員1名。
12月5日，發現5批100餘架飛機在肅川、定州等地區活動。第9團出動20架米格-15擔任攻擊任務、第7團22架飛機掩護。在泰川、龜城上空突遇F-86、F-84各6架向第1、3大隊偷襲，林虎率領全團立即投入戰鬥。3大隊4號機羅滄海抓住敵機相續轉彎的時機，在340米、230米、145米距離上三次開炮，創造了一次進入攻擊連續擊落3架敵機的範例。這次空戰第9團在不利的條件下共擊落F-86飛機1架、F-84飛機3架，被擊落4架、擊傷1架，犧牲飛行員1名。由於是初次參加大規模機群作戰，雖然遭受到了損失，但同樣取得了戰果，為後續空戰勝利積累了寶貴的經驗。
五、戰果輝煌，毛主席親筆致祝賀1952年1月，第3師結束第一輪入朝參戰，轉回二線休整並總結經驗。首次入朝作戰，第3師共進行大小戰鬥23次，擊落敵機54架、擊傷9架，共損失飛機21架、犧牲飛行員6名。1952年2月，毛主席在看過第3師作戰86天戰報後，親筆寫下了「向空軍第三師致祝賀」的批語。
在整個抗美援朝期間，第3師的戰果在全空軍裡最為卓著，湧現出的英雄模範也最多。志願軍榮記集體一等功單位有6家，第3師佔4家：第3師9團1大隊、第3師9團2大隊，第3師7團3大隊7中隊、第3師9團3大隊9中隊。志願軍空軍6名"一級英雄"中有4名來自第3師：王海、趙寶桐、孫生祿、劉玉堤；12名"二級英雄"中有3名出自第3師：焦景文、楊振玉、範萬章；趙寶桐兩次榮記特等功，是飛行人員中唯一獲此殊榮者。
第3師還是抗美援朝戰爭中擊落擊傷敵機戰績最高的師，累計擊落敵機88架、擊傷29架；在個人空戰戰績中，排行前三名的趙寶桐、劉玉堤、孫生祿均來自第3師，在志願軍空軍擊落敵機5架以上的7位「王牌」飛行員中，有4名來自第3師飛行員（加範萬章）。
第3師以卓越的戰績打出了威名，在後來一直被作為空軍頭號「王牌」部隊，取得了更多的輝煌，不斷踐行著「聞戰則喜、英勇頑強、敢打必勝、有我無敵」的師訓與師魂。