1944年8月上旬，日军攻占衡阳后，为贯彻其打通大陆交通线并破坏中国空军基地之目的，继续发动桂柳作战，依照其“一号作战”计划，开始桂（林）柳（州）的作战准备。
在航空部队方面，日军将第十六航空地区司令部及第九十六飞行场大队调去，修复了衡阳机场，作为继续进攻的跳板。为了发动新的攻势，日本陆军8月间把装备了最新研制成的四式战斗机、担任东京防卫任务的飞行第二十二战队、装备二式战斗机的第二十九战队、装备九七式Ⅱ型的重轰炸机的第六十战队等精锐部队先后调往中国，以增强第五航空军的实力。到9月1日，第五航空军可出动的飞机共有270架。日军航空队凭借四式战斗机一度占了优势，企图恢复在中国的制空权。
9月上旬，在日军第六方面军指挥下，第十一、第二十三集团军分别从湖南、广东向广西桂林、柳州地区发动进攻。9月14日，占领广西东北要地全县，打开了广西东北门户。中国空军沿途已无险可守，日军可直插桂林。接着日军连陷兴安、灌阳，于10月底进至桂林以南之良丰、阳朔等地，对桂林侧后构成包围态势。
自1944年8月初至11月9日，中、美空军为支援地面部队作战，主要以桂林、柳州、昆明为基地，共出动1386架次，在空战中击落日机34架，击伤10架，炸毁停在机场的飞机6架，炸毁车辆400余辆、大小木船578艘，破坏阵地、车站、库厂、指挥机构50余处、桥梁11座。
8月3日，中国空军第一大队出动B-25式轰炸机群袭击黄河铁路桥，张国庆被敌高射炮击中牺牲。
8月10日、17日，中国空军第三大队两次奇袭日军太原机场，共炸毁敌机40架，并击落日机3架。
8月24日，中国空军第一大队3架B-25式轰炸机俯冲至60多米高度，低空轰炸黄河铁路桥，将该桥炸成四段，日军运输中断达数日之久。
▲豫湘桂之战中，我空军轰炸黄河铁桥和日军目标。
8月28日，中国空军第五大队11架P-40式驱逐机和美国第十四航空队战斗机13架从芷江出发，袭击白螺矶日军机场。日军第二十二、第二十五、第四十八战队的战斗机分别前来拦截，共被击落10架，其中就有日本陆军的王牌——四式战斗机。中国损失飞机1架，飞行员徐滚失踪，美机3架下落不明。
8月29日，中国空军第三大队13架P-40式驱逐机从恩施起飞，袭炸沙洋日军仓库、停车场及沿江敌船。飞至嘉鱼以西上空时，遇敌机15架。激战中，第二十八中队副中队长孟昭仪阵亡。同日，第五大队11架P-40式驱逐机会同美国第十四航空队34架P-40式和10架P-51式驱逐机，掩护24架B-24式重轰炸机，大举进击岳阳之敌。日军飞行第二十二、第二十五战队共出动一式战斗机27架、四式战斗机13架应战。在空战中，张唐天、冷培树各击落敌机1架，冷培树负伤后迫降在常德附近，周亮失踪。
9月16日，中国空军第五大队16架P-40式驱逐机从芷江起飞，攻击了长沙以北的许家州敌军机场，与日军战斗机12架在湘潭上空交战，击落其中5架。
9月21日，中国空军第五大队15架P-40式驱逐机袭击新市，同十多架日军战斗机激战。中国飞行员梁同生、张亚岗、杨少华、林雨水各击落敌机1架，美国飞行员共击落敌机3架，只有一架中国飞机受伤迫降，飞行员曲士杰牺牲。当天，日军第二十二战队的四式战斗机袭击西安机场，其领队长机被击落，战队长岩桥让三少佐毙命。这一架日军王牌飞机和优秀飞行员的损失，使其他在华日军飞行员心中深深地蒙上一层阴影。(www.xing528.com)
9月22日，中国空军第五大队5架B-25式轰炸机出击黄河铁路桥，炸毁第三段桥梁，使日军无法通行。
9月23日，中国空军第五大队出动4架B-25式轰炸机炸毁了平汉铁路的长台关、新安店两处铁桥，使日军铁道运输线中断。
9月24日，中、美航空兵出动P-40式、P-51式驱逐机共32架袭击了在广东西江上航行的日军船队，并同日军飞行第八十五战队的8架战斗机交战，未分胜负。
10月6日，西江上的日军船、艇再遭受空袭。这次，敌人已有准备，用高射炮不断还击。日军飞行第八十五战队再次前来交战，中、日双方都损失飞机数架。
10月15日，美国第十四航空队出动飞机轰炸了敌军衡阳机场，炸毁地面战斗机、轰炸机多架。
▲1944年，桂柳会战中桂林机场的美国飞虎队轰炸机从机场起飞执行任务。
11月7日，美国第十四航空队的8架P-51式战斗机掩护6架B-25式轰炸机攻击了同满铁路南部的运城、临汾。
11月9日，美国第十四航空队8架P-51式战斗机再袭衡阳机场，同日军飞行第四十八战队的一式战斗机交火，击落日机1架。
11月10日，中国地面部队作战失利，桂林和柳州同一天陷落。此后，日军乘胜追击，一直打到贵州独山。到12月中旬，日军才被迫退至广西河池，同中国军队形成对峙。至此持续了八个月的豫湘桂大战结束。
日军的“一号作战”虽然攻占了桂林、衡阳等地的中国机场，中国空军的7个基地和36个机场被日军占领或摧毁，中美航空队的基地被迫后移。但是，具有远距离攻击能力的中、美航空队后退到西南地区机场后继续发动频繁攻势，仍紧握空中战场的主动权。
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