与此同时，第二、三编队的轰炸机在战斗机的掩护下，低空突防，朝着日军航母投下炸弹。“加贺” 号航母的甲板上，日军士兵慌忙躲避，炸弹落在甲板上，燃起熊熊大火，舰载机被炸毁多架。
“凤翔” 号航母也遭到重创，舰体多处受损，被迫向远海撤离。
攻击机队队长小谷进大尉驾驶着三菱一三式舰上攻击机，试图对中国轰炸机进行拦截，却被两架 K-47 战斗机盯上。
经过一番缠斗，小谷进的战机被击中油箱，他被迫驾驶战机紧急迫降在 “凤翔” 号航母的甲板上。
可就在战机即将着陆时，油箱突然爆炸，战机瞬间化为火球，小谷进当场身亡，“凤翔” 号航母的甲板也因此受损严重。
在随后一周的空战中，五丈涂机场的空军在石邦藩与三位德国顾问的指挥下，先后与日军战机交战十余次，共击毁日军战斗机近 40 架，轰炸机 10 余架。
但中国空军也付出了沉重代价，20 余架战斗机损毁，6架轰炸机被击落。
幸运的是，大部分飞行员在战机被击中后，成功在上海市区或周边滩涂跳伞，上海市民得知是中国空军飞行员后，纷纷伸出援手，有的为受伤飞行员包扎伤口，还有的用小船将水上跳伞的飞行员送到安全地带。
日军战斗机部队的惨重损失，让海军第三舰队司令野村吉三郎极为震怒。2 月 15 日，他在 “出云号” 旗舰的会议室里召开海军会议，参会的日军将领个个面色阴沉。
野村吉三郎猛地一拍桌子，怒喝道：“陆军马鹿！简直是废物！我们的战机损失这么大，他们却连闸北的阵地都拿不下来，还让中国空军对我们的舰队进行轰炸，你们说，这像话吗！”
负责与陆军协调的参谋官低着头，不敢反驳。野村吉三郎越说越气：“再这样下去，我们的第三舰队迟早损失更大！必须想办法扭转战局！”
可此时的日军，早已是强弩之末。
2 月 16 日起，石邦藩再次调整作战计划，集中 40 余架寇蒂斯霍克 Ⅱ 战斗机和 K-47 战斗机，配合 20 余架道格拉斯 O-2 双翼轰炸机、10 余架 Dornier Do P 轰炸机，对日军海军第三舰队展开大规模轰炸。
日军虽然派出剩余战机应战，但由于飞行员损失过多，新补充的飞行员缺乏实战经验，很快便被中国空军压制。
在这场持续四天的轰炸中，日军又有 10 余架战斗机和 10 余架轰炸机被击毁，“加贺” 号航母被多枚炸弹击中，舰体破损严重，被迫撤离战场；“大井” 号轻巡洋舰在轰炸中弹药库爆炸，沉入海底；“夕张” 号轻巡洋舰被击中动力系统，失去航行能力；“能登吕” 号水上飞机母舰也遭到重创，无法再起降飞机。
2 月 20 日，野村吉三郎站在 “出云号” 的舰桥甲板上，看着伤痕累累的舰队，听着远处传来的中国战机轰鸣声，无奈之下，只得下令：“放弃支援陆军，暂时远离吴淞口！”
命令下达时，他还在怒骂陆军：“都是陆军马鹿的无能，让我们海军蒙受如此巨大的损失！”
四省边地空军大败日军海军第三舰队的捷报传开后，全国沸腾。
上海《申报》《新闻报》等媒体纷纷刊登报道，标题诸如 “五丈涂空军显神威，痛击日寇保淞沪”“石邦藩将军指挥有方，中国空军扬眉吐气” 等。
石邦藩的名字传遍大江南北，各界人士纷纷致电五丈涂机场，向空军将士表示祝贺。
南京国民政府也致电嘉奖，称 “四省边地空军为抗战之楷模，为国家之荣光”。
在辰溪，四省边地政务委员会收到捷报后，周承业立刻召开会议，宣布嘉奖空军全体将士，为牺牲的飞行员家属发放抚恤金，并号召边地军民以空军为榜样，支援淞沪抗战。
辰溪的百姓自发走上街头，敲锣打鼓，庆祝空军大捷，不少青年更是踊跃报名参军，想要加入空军，奔赴上海前线。
此时，周青云正率领第九军的先头部队抵达镇江江面。
当捷报电报传到运输船时，全军将士欢呼雀跃，士气大增。
镇江市民得知是支援上海的第九军来了，纷纷涌上街头，有的送吃的，有的送棉衣、棉被，还有的举着 “欢迎抗日英雄” 的标语，向士兵们挥手致意。
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