日軍佔領上海後，乘淞滬會戰中國軍隊撤退之機，分兵進逼南京，並於1937年12月1日下達了攻佔南京的命令。
1937年11月底，由普洛柯非也夫率領的首批蘇聯空軍志願隊的N-16戰鬥機首先到達南京，12月1日即投入戰鬥。當時，日軍正沿著京滬線向南京推進，頻繁襲擊南京。這天蘇聯空軍志願隊戰鬥機五次升空，迎擊日機，並擊落日機3架。經過重新裝備的中國第四大隊也出動飛機，攔截來襲南京的日機。
在這一天的作戰中，蘇聯空軍志願隊損失一架飛機，飛行員安德列也夫犧牲。中國飛行員敖居賢也在作戰中陣亡。
12月2日，科茲洛夫率領9架蘇聯志願隊轟炸機從南京出發，轟炸了上海的日軍機場和黃浦江上的日艦船，炸毀了1艘日艦和6艘日軍船舶。志願隊的一架轟炸機被日軍高射炮擊中，領航員彼羅夫犧牲，駕駛員薩洛爾負傷後，忍痛駕機返回。當天中國空軍第四大隊第十九中隊的5架轟炸機也襲擊了長江口的敵艦，炸毀敵運輸船1艘。在返途中，損失3架飛機。
12月3日，日軍陸軍獨立飛行隊和海軍航空隊的37架飛機聯合突襲南京。中國空軍第二十一中隊中隊長董明德和樂以琴駕機與蘇聯空軍志願隊一起升空攔截敵機。這是一場悲壯的戰鬥，敵我力量懸殊，樂以琴遭到十幾架敵機的重重包圍，但他以漂亮的動作甩開眾敵之圍，致使兩架敵機互相碰撞。
在眾寡懸殊的情況下，樂以琴戰機不幸失去控制，他被迫跳傘，不幸墜地，年僅22歲，曾讓敵人喪膽的空中英雄，為保衛祖國而壯烈地犧牲了。
1938年1月2日，蘇聯空軍志願隊的轟炸機大隊由大隊長波雷寧率領，從漢口起飛，轟炸南京日軍機場，炸毀敵機20多架。在日軍炮火的反攻下，蘇聯飛行員符多維英、射擊士柯史達林金、領航員弗洛羅夫陣亡。
波雷寧座機被擊傷後，迫降在蕪湖附近，在當地民眾的熱情幫助下，波雷寧安全返回漢口。 1月26日，蘇聯空軍志願隊由馬琴率領，再次轟炸南京日軍機場。他們巧妙地避開日軍的防空監視哨，突然出現在南京上空，炸毀了多架停在機坪上的日軍飛機。
在返航時，多架日軍戰鬥機追來。在作戰中，又擊落4架日機。蘇聯空軍志願隊的一架飛機也被擊落於蕪湖附近。 3月12日，南京失陷後的第一個孫中山逝世紀念日。
這天，中國空軍第三大隊第二十五中隊隊長湯卜生獨自駕駛美式偵察機，低空飛入南京上空，在中山陵上空盤旋數周，以示謁陵。南京的同胞親眼看見了中國空軍還在祖國領空巡衛。