陈纳德在美国马不停蹄，招募了100名飞行员和百余名地勤人员，组成了以“飞虎队”命名的美国空军志愿队。
8月15日，日军为实现速战速决的战略方针，开始空袭南京，陈纳德协助中国空军总指挥部，制定和参与实施保卫南京的空战计划。他组织在南京、上海、杭州三个成鼎足之势的据点装设了空袭警报网，加强了地面警报系统的建设。在前两天空战中，日本损失飞机24架，此后日本空军连续5天对南京进行袭击，结果又被击落54架，日本轰击机没有战斗机护航进行昼间轰炸的战术就此结束。之后，陈纳德预料到日机可能夜袭南京，便着手组织防空部队，进行防御部署，结果使夜袭日机损失达50%以上，又一次给日空军以严重打击。抗战初期，中国空军以英勇的战斗精神，以寡击众，粉碎了日本空军不可战胜的神话，取得了巨大战果，这与陈纳德的参与谋划的作用是分不开的。
空战英雄
1940年10月中旬，中日战争已进入激烈而紧张的相持阶段，由于中日空军力量对比悬殊，陈纳德决定返回美国组织空军志愿队，来帮助中国的抗战。他的计划在美国受到许多阻挠，几经波折，于1941年8月志愿队终于成立了，编成为三个飞行中队，并在缅甸东瓜机场受训。陈纳德以其干练的作风，迅速把一支参差不齐的队伍训练得像钢铁一样坚强，这支羽翼丰满的空中“飞虎”很快就成为日本零式飞机称霸天空的终结者。