理论的机会，他决心在蓝天上实现自己的抱负，为这个正遭受异族侵略的民族解放贡献自己的力量。1937年8月，日军进攻上海，他马上给蒋介石去电，表示愿在任何能尽其所能的岗位上服务。蒋介石接受了陈纳德志愿服务的请求，“即赴南昌主持该地战斗机队的最后作战训练”。根据蒋介石的要求，陈纳德又招募了部分美国飞行员组成了第14志愿轰炸机中队。

    1937年8月13日，淞沪会战开始。第二天，陈纳德派飞机参战。虽然轰炸机队投弹偏离目标，但中国战斗机在当日的空战中取得了胜利。1937年10月，中国的飞机只剩10多架，许多中国飞行员阵亡。陈纳德设法雇佣了4个法国人、3个美国人，1个荷兰人和1个德国人，加上6个幸存的中国轰炸机飞行员，组成了一个“国际中队”。他们成功地袭击了几个敌占区目标，造成日军的恐慌。但是日军飞机在一天下午袭击了机场，炸毁了国际中队的全部飞机。

    当时，美国政府在对日侵华战争中持“中立”态度，日本人知道有美国顾问在华帮助中国，日本政府得知此情况，向美国政府施压，要求所有美国飞行员离开中国。迫于外交压力，陈纳德的活动转为非公开，他回到美国，私下替中国政府招募飞行员。直到1940年11月，美日关系趋于紧张，美国总统罗斯福终于采纳陈纳德的建议，同意退役人员以志愿航空队的名义去中国协助抗日战争。

    1937年12月，南京失陷，陈纳德随军撤到汉口。这时中国空军几乎损失殆尽，只得靠前苏联援华的飞机来保卫城市。1938年4月29日，是日本天皇的生日。陈纳德和中国、前苏联的空军指挥官断定这一天日机不会空袭，决定惩罚日本侵略者。为引诱日机来犯，陈要中国和前苏联的飞机佯装撤离汉口，飞往南昌。飞机起飞后先在武汉上空盘旋，让人们（包括日本间谍）看到他们撤离，当夜又溜回机场。29日清晨，日机从芜湖机场起飞，轰炸机在战斗机的掩护下飞临武汉上空。陈纳德事先侦得日机只有从芜湖到汉口一个来回的汽油，于是派了20架战斗机在城南拖住日军战斗机，使他们消耗大量汽油，在城市安排40架前苏联飞机埋伏在高空，等日机折回芜湖时把轰炸机和战斗机分开，日军战斗机因缺油不敢去保护轰炸机，中苏飞机一队攻击轰炸机，一队攻击战斗机，将39架日机击落36架，只有3架落荒而逃。

    1938年8月，应宋美龄的要求，陈纳德去昆明筹办航空学校，训练中国飞行员。他在昆明极其简陋的条件下对学员进行严格的训练，不少人中途被淘汰。后来，陈纳德又招募了200多位美国志愿兵到中国，“因为美、日此时尚未开战，这200位志愿兵护照上的身份五花八门，音乐家、学生、银行家都有”。

    1940年后前苏联空军援华人员陆续撤走，中国空军在数量上处于绝对劣势，特别是飞机更为缺乏。这时中国空军和日本飞机之比是1：53，日本完全控制了中国的制空权。1940年5月20日，蒋介石召见陈纳德，要他去美国，设法搞到尽可能多的作战物资。陈纳德返美后，四处宣扬中国人民的抗战，争取各方援助。罗斯福总统的两名助手被陈纳德的游说打动，在罗斯福面前赞成陈纳德关于建立空军的计划。罗斯福决定对华进行军事援助，以把日本拖在中国。1941年，罗斯福总统促使国会通过了《租借法案》，可以向中国提供飞机，后又准许预备役军官和退出陆军和海军航空部队的士兵参加赴华的美国志愿队。1941年7月中旬，在陈纳德的努力下，由110名飞行员、150名机械师和医生组成的第一批飞行队员辗转抵达中国。1941年4月14日，罗斯福总统又签署命令，准许预备役军官和退出陆军和海军航空部队的士兵参加赴华的美国志愿队。1941年7月中旬，陈纳德回到中国时，已有68架飞机、110名飞行员、150名机械师和其他一些后勤人员到达中国。