一九三七年上海保卫战爆发当日，第四大队由河南周家口奉命立即迁到南京，任战场制空任务。八月十四日，高志航在杭州笕桥机场接到警报，驻在台湾的日本海军木更津航空队十八架轰炸机越海来袭，他立即命令第廿一中队"飞机不要停车，一半起飞警戒，一半加油待机出击"，并以信号指示正好赶来的廿二、廿三中队留在空中，他自己驾机霍克三式战机升空，率队迎战来犯敌机。当他在空中发现敌机时，便作了一个动作，提醒跟在身后的机群，自己驾机直朴过去，瞄准一架敌机，一阵炮火，首创纪录，僚属见状士气大振，纷纷加入战斗，四处开花。短短的空战，高志航击落日机两架，全大队击落日机六架，我方毫无损失。同年十一月，他奉命至兰州接收苏联E-15 驱逐机，率机十三架飞抵河南张家口机场，廿一日清晨遭长城方向飞来日本飞机九架袭击机场，他一面命令飞行员迅速起飞参战，自己不顾日机机枪炸射，飞奔强行登上座机，命机械士开动引擎失败，此刻，一棵炸弹落在他机舱前头，高志航与座机一同被炸得飞碎，机场同袍见状纷纷落泪，烈士时年廿九岁。