9月6日，5大队全部出动，在浏河附近继续轰击日军登陆部队，刘粹刚的24队和友军的霍克三式驱逐机，以庞大的阵容和猛烈的轰炸，先后击沉掩护登陆的3艘日本兵舰，予登陆日牢以重大杀伤。8日，5大队乘胜出击，轰炸敌舰“出云”号。12日，刘粹刚率霍克机五架，冒着敌人的炮火，在长江口内重创日军巡洋舰一艘。14日，刘粹刚率队轰炸上海郊外的日本派遣军贮藏军需品的仓库。刘机投下数枚重磅炸弹，该日军仓库起火被炸毁。
从9日起，日军航空队不断扩大对南京的空袭。日军每次袭击南京的机群，少者十几架，多者四、五十架，采用多数梯形波状的袭击方式，使南京空防日益困难，不时就会响起防空警报。5大队的勇士们一方面要积极支援上海守军，一方面还要迎击空袭南京的敌机，使空战更加频繁、激烈而残酷了。到9月13日以后，国民党淞沪战场战事吃紧，日军不断增兵。淞沪第一线中国守军被迫撒至第一道防线，日本上海派遣军的航空队因而获得陆上根据地，以此为依托，使日本在上海东战场的空军实力，骤增数倍。据统计，抗战伊始，日本拥有各种作战飞机4000多架，中国只有作战飞机305架。在上海方面，日本空军占有明显的优势，其空军兵力有上海派遣军特设航空队所属的木更律航空队(后移驻台北新竹机场)和鹿屋航空队，以及第5支航空队；第一航空队的“凤翔”，“龙骧”航空母舰和所属的第2航空队的“加贺”航空母舰，还有上海派遣军直属的第3飞行团所辖的5个独立飞行中队。无论数量上还是性能上，日本空军均占优势地位。在敌众我寡、敌强我弱的情况下，中国空军不得不采取避实就虚的游击战法，与日本空军周旋作战。为了防止敌大机群的空袭和决战，我空军只好经常调动，打一仗就调换一个飞机场，使敌人摸不清我方的动向和实力。所以，刘粹刚经常率队转战沪、宁、杭、扬等地，出其不意地打击敌人。由于战事日益紧急，敌庞大机群经常来袭，空军地面后勤供应的物资如食品、弹药、机油等，有时供不应求，中国空军的勇士们在如此艰难危急的战斗、转移中，还要克服物资缺乏所带来的困难。
9月17日，第24驱逐机队的6架霍克机在队长刘粹刚的率领下飞往上海，侦察敌情并轰炸登陆的日军装甲部队，炸毁日军坦克多辆。回来时，勇士们遇到2架日本驱逐机，刘粹刚一马当先，紧紧咬住其中一架，将其击落。分队长王倬也不甘示弱，咬住另一架敌机，经过数个回合的搏斗，敌机被击中，拖出长长的黑烟而坠落。
在保卫南京的空战中，刘粹刚和4大队、5大队的队员们接连打了好几个漂亮仗。9月20日10时，日机40余架分三批空袭南京。之后，又有敌驱逐机3架、重轰炸机6架来袭，频繁地向南京城内投掷燃烧杀伤弹。为了保卫南京人民生命财产的安全，刘粹刚率霍克机9架，偕第17队波音式飞机2架，起飞迎击。刘粹刚驾驶的“2202”号霍克三式驱逐机，如同一头怒吼的雄狮，风驰电掣般地冲入敌阵，将为首的敌长机拦截住，尔后就是一阵清脆的机关枪射击声，那架敌机未及招架，就被刘机击落。刘粹刚马上调转机头，掩护他的两架僚机。二号僚机，老搭档袁葆康，三号僚机董某，他们采取起飞前刘队长交代的打法，在刘机的掩护下，以凌厉的攻势和敏捷的动作，各击落敌机一架。与此同时，第四大队队员乐以琴也驾机助战，将一架轰炸机追杀至镇江以西，终于击落之。短短几十分钟的空战，刘粹刚和队员们就一举击落敌机4架，其余5架飞机加速逃跑，向其主子报丧去了。
22日，日本航空队集中了51架飞机，再度分批空袭南京，一群群重轰炸机满载着各式炸弹、燃烧弹，在驱逐机的掩护下飞临南京上空。南京军用机场上，刘粹刚和队员们分别坐在驾驶舱里，随时准备拦截敌机。当机场指挥员下达起飞命令后，刘粹刚又是身先士卒，第一个驾机而起。这次，他率领着10架霍克机在南京上空分区警戒。在云层下面，敌机群刚一露面，严阵以待的中国空军勇士们即予以迎头痛击，两军激战勇者胜，刘粹刚和他的两架僚机左挡右突，进退自如，一招一式，毫不含糊。任凭敌机狡诈凶残，我自有胜券在握，二号僚机袁葆康配合默契，三号僚机董某技术娴熟，长机刘粹刚左右逢源，这回又是旗开得胜，马到成功，3人各击落一架敌机。“腿长的”敌机一溜烟地逃跑，恨不能再生出双翼来。空战的时间是极短暂的，刚才的南京城上空还是弹雨枪林，不一会儿又照例恢复了宁静。
10月12日，日本航空队不甘心以往的失败，又以庞大的机群轮番轰炸南京城。刘粹刚上尉与第4航空大队长高志航同时凌空作战。“天神”高志航果然名不虚传，他熟练地驾驶着矫健的战鹰，一阵大刀阔斧地冲杀，即击落敌机一架。刘粹刚这时却被一架九六式驱逐机紧紧咬住，任凭刘机如何摆脱，也甩不掉敌机的步步紧追。
九六式驱逐机是日本一种新式强击机，它不但续航时间长，火力强，而且善爬高，速度快，能做超低空飞行。驾驶这种飞机的都是日本空军的“王牌”飞行员。日本航空队鉴于其在上海、南京、杭州等地屡遭挫折，特地从日本调集一批九六式“王牌”驱逐机，投入中国战场的空战，对抗中国空军的阻击。这些九六式驱逐机十分狂妄，自抗战以来的中日空战中，它们依恃其飞机性能的优势，在上海、南京等地大施淫威，如入无人之境。中国空军虽然曾试图痛击之，但一直未能如愿以偿，而且屡遭损伤。为了对付敌九六式驱逐机，“天神”高志航曾专门去南京，与“飞将军”刘粹刚及其队友袁葆康、黄泮扬等人悉心研究用霍克三击落敌九六式驱逐机的战术和方法。
敌九六式驱逐机确实是狡猾凶残的。刘粹刚与敌机刚一交手，敌机就占了上风。刘机在前，敌机在后，刘粹刚突然感到机身发生一阵剧烈的震颤，原来座机被敌机的机关枪击中，刘机上的一部钢丝绳竟被击断了。负伤的座机开始颠簸和失控，飞机只能左转，不能右拐，机身向一边倾斜着，犹如断线的风筝……
刘粹刚自知情况不妙，决定返航，把负伤的飞机开回去。但是，敌九六式驱逐机发现刘机负伤，更是紧追不舍。这时，仍是刘机在前，敌机在后，敌我态势对刘粹刚极为不利，如果刘机稍有疏忽或畏惧，就会立即被击落。为了扭转被动挨打的局势，刘粹刚决定先甩掉敌机，然后瞅准机会再消灭它！于是，他拉起升降舵，准备上升。但狡猾的敌机显然识破刘机的用意，拼命压迫刘的座机。刘机被迫愈降愈低，机身已经低于南京城墙的高度，几乎掠及树梢。突然，只见刘机一个鱼跃式的动作，作一个直“8”字上升，意在甩开敌机。敌机依恃其机身较灵，爬升速度快，容易争占高空有利地位的优势，也依样画葫芦，学着刘机作直“8”字上升，这样反而更接近负伤的刘机了。
刘粹刚仍然处于劣势。在这种危急的形势下，他临危不惧，沉着应战，重复刚才的动作，再次作直“8”字上升，并通过弯转曲回的动作避免座机进入敌机的有效射程和火力网内，以减少敌机射击的机会。刘机仍然在前，敌机紧随其后，双方都用最大的马力增加速度，作辗转翻腾的恶斗。