空軍也是當時蘇聯援助中國的重點，1937年10月，蘇聯援助中國的第一批飛機就有297架，這些飛機被運到蘭州之後，又飛往全國各大戰區。當時在蘭州，日軍經常狂轟濫炸，不僅援助中國戰機，還派飛行員前往中國和日軍作戰。
從1937年到1941年，蘇聯政府總共派遣3665人參加中國抗戰，包括1091名飛行員。他們帶來的飛機，據不完全統計，共有1250架，其中包括561隻“黃鶯”和“燕子”，222架轟炸機（大部分為“喀秋莎”），以及100架教練機。在南京保衛戰，徐州會戰，武漢會戰等大型戰役中，都有蘇聯誌願航空隊的身影，蘇聯誌願航空隊也犧牲了211人。僅1938年的武漢空戰，蘇聯誌願航空隊就犧牲了100多人。
抗戰期間，從1937年10月到1942年1月，蘇聯供給中國的軍火物資有1235架飛機，220台飛機發動機， 1600門大炮，82輛坦克，14000挺輕重機關槍，1850輛汽車和牽引車，10萬支步槍，200萬發炮彈，1500萬發步槍子彈，25000顆飛機炸彈。
蘇聯援助的這些武器裝備確實為中國的抗日戰爭做出了重大貢獻，比如蘇聯向中國援助的T-26坦克，在1938年春的台兒莊戰役中就重創日軍。1938年8月，國民黨軍以蘇聯提供的裝備為基礎，成立了第一個機械化師，這支部隊就是大名鼎鼎的200師。1939年的昆侖關戰役中，200師的T26坦克再次重創日軍。
