日本實施大規模飛機集群轟炸后，制空權一度被日軍掌握，但東北軍很快扭轉了局勢。東北軍把速度高于日軍戰斗機而機動性稍差的“云雀”式戰斗機與速度低于日軍飛機而機動性更強的“雨燕”式戰斗機編組在一起，并將速度與火力都超過日本飛機的“披毛犀”式新型戰斗機及新式的“快刀”中型轟炸機投入戰場上空。
9月7日，在雙方地面戰爭接近尾聲時，空戰正進入。
駐東西伯利亞的日本陸軍航空兵部隊是第2飛行軍團，飛行軍團由兩個以上的飛行團構成，飛行團下屬編制為飛行戰隊。由于飛行團專門擔任制空或者是對地攻擊任務，其編制時常根據戰況發生改變，但飛行軍團一般會下轄10個飛行戰隊，每個飛行戰隊后來被分為3個飛行中隊。由于日本陸軍航空兵的編制極為混亂，如飛行戰隊這個編制，是1938年才從飛行大隊和連隊改編而來。而飛行軍團編制也是1939年才出現，第2飛行軍團是在1939年3月與本土的第1飛行軍團一起編成，1942年4月就被改編為第2飛行師團，其下轄的各戰隊始終是變幻莫測。桑葉河戰役前第2飛行軍團手里有兩個飛行團，負責制空任務的第12飛行團擁有4個使用戰斗機的飛行戰隊，第1飛行戰隊、第64飛行戰隊和第11飛行戰隊共裝備88架先進的“烈風”，而則使用較為落后的“零”式的第24飛行戰隊雖然在紙面實力上也擁有幾十架戰斗機，日本方面去很有自知之明，沒有將這些飛機送給中國人做點心。
日本的飛行中隊裝備戰斗機時標準配置為10架，實際為8至12架，使用轟炸機或者觀測機時則只配備6架，實際一般不會多于8架，也不會少于4架。
除了戰斗機之外，第2飛行軍團還裝備了24架輕型轟炸機（輕爆）和13架重型轟炸機（重爆），全部屬于第9飛行團。與戰斗機部隊相比，轟炸機飛行隊的來源更為繁雜，比如13架重爆，就包含第12飛行戰隊的兩個飛行中隊。
1940年的日本陸軍航空兵已經不再是嗷嗷待哺的“雛鷲”，開始將貪婪的眼睛盯上西面的中國東北軍空軍，后者在和蘇聯的歷次武裝沖突中表現極為活躍，給日軍造成了巨大困擾。雖然中日兩國的航空水平都屬于世界一流，但是中國的工業化和大規模生產做的較好，人力資源也更為豐富，日本陸軍航空兵本部認為與東北軍拼消耗是不明智的，因此決定通過將航空部隊與基地分離的方式增強航空部隊的機動性，依靠快速前線機場展開，攻東北軍不備，這種偷襲戰術與德國閃電戰在航空力量方面的使用設想不謀而合。為了使航空部隊不再拴在各自的機場上，從1937年開始，也就是昭和12年，日本陸軍航空兵開始在中日對峙的前線東西伯利亞和日本本土組建擁有獨立支援地勤甚至是機場高射炮部隊，能夠脫離機場獨立機動作戰的飛行戰隊。各飛行戰隊手中的日常地勤維護和擁有大修能力的野戰工廠以及機場地面防御部隊都被統一編為“飛機場大隊”。
至此日本陸軍航空兵總算擁有了快速前沿展開的能力，但是其飛行戰隊編制仍過于臃腫，在太平洋戰場上，日本陸軍航空兵又發展出更為激動靈活的飛行師團，和能夠與地面緊密協同，編制比一般飛行中隊稍大的“獨立飛行中隊”，兩個獨立飛行中隊就可以構成一個“獨立飛行隊”。當然這種靈活編制并非憑空出現，其濫觴就是在東西伯利亞和中國戰場多次出現過的“獨立飛行大隊”。
獨立飛行大隊進駐白樺城之后沒幾天，7月20日（日方記錄）或21日（中方記錄），桑葉河上空爆發了第一次空戰，一架執行戰場偵察巡邏任務的東北軍“青鳳”偵察戰斗機被日軍“烈風”式戰斗機擊落。在被襲擊之后東北軍針鋒相對的派出戰斗機在桑葉河上空磨拳擦掌，7月22日第一次雙方戰斗機爆發首次正面交鋒，日方的記錄中，一架“烈風”在巡邏中遭遇了6架“青鳳”戰斗機組成的機群，并將其中三架擊落，中方的記錄承認了失敗，但是細節上與日軍有些出入：3架“青鳳”和2架“云雀”被5架日軍“烈風”偷襲，一架“青鳳”不幸被擊落，另一架雖然身負重傷，卻安全降落。與此同時，東北軍和日軍的司令部都在四處搜羅援兵充實本方的空軍實力，東北軍方面在7月20日之前的準備顯得漫不經心，動起手來卻發現對面的日本人明顯是蓄謀已久有備而來。痛定思痛，中國人以驚人的效率將戰機塞滿了能夠覆蓋桑葉河的機場。
7月23日，東北軍第22戰斗機團抵達前線機場，其裝備中最引人注目的是28架新式的“金絲燕”式戰斗機，這款戰斗機是根據西班牙內戰的經驗，將火力提升了一倍，發動機罩和機翼上共安裝了4挺機槍，速度加速性好，垂直和水平機動都非常出色，相對前面來說唯一稍顯不足的就是滾轉性能略差。另外第22戰斗機團還有36架老式的“青鳳123乙”，這批飛機在之后的作戰中大部分時間擔任對地任務，其堅固的機體和靈活的身法還有翼下的火箭使得它們成為地面日軍的噩夢。幾天之后，59架隸屬第38高速轟炸機團的“快刀”中型轟炸機也趕到了前線。
面對中國方面的大舉增兵，日本方面也始終沒有停下增兵的腳步。7月24日，第11飛行戰隊的兩個中隊帶著200架“烈風”飛抵白樺城。三天之后日本人已經可以在桑葉河上空拍出龐大的飛機集群。在雙方空軍部隊磨刀霍霍之時，地面上的人字旗卻已經渡過了桑葉河，還在東岸建立了堅固的橋頭堡陣地，靜等旭日旗下的野獸們過來撞個頭破血流，深感“皇軍”面子被中國人狠狠扇了一巴掌的日本陸軍，正在集結力量準備給中國人一個大大教訓，當然日后的戰役發展證明，這個教訓在天上或者地下，恰恰都是給日本人自己的。
雖然地面作戰打得有聲有色，天空卻被日本飛機的機翼遮蔽了光彩。在7月28日這一天，3架“青鳳”在桑葉河上空撞見了一群日本戰斗機，仗著人多勢眾，日本戰斗機在幾分鐘內連中三元，上演了空中帽子戲法。這一天晚些時候，又有10架“青鳳”被日軍飛機偷襲，18架“烈風”躲在高空，看準目標后呼嘯而下。中國戰斗機雖然奮起反擊，怎奈高度和速度優勢都不在自己一邊，最終被擊落6架，另有一架“青鳳”勉強迫降，本以為逃過一劫，沒想到日本人不依不饒，俯沖而下輪番掃射，最終將這架“青鳳”打成一堆火焰。僥幸生還的“青鳳”中還有兩架嚴重受損，只能在最近的前線機場迫降，落地后便報廢了。而打得東北軍只剩一架全身而退的日本人自己卻是毫發無損。
看著空中的損失逐漸增多，東北軍的高級將領也是心急如焚。當時的東北軍第37裝甲軍司令郭松齡親自上書北京報告日本航空部隊在桑葉河上空占盡優勢、橫行無忌。結果，8月2日他以“喪失戰斗意志”的理由被撤換，繼任者鐘離衛上任伊始便著手將士氣低落的部隊改編為第一集團軍。
實際上，北京早就對東北軍空軍在桑葉河的糟糕表現有所耳聞，也已經計劃好如何扭轉頹勢。與新任司令員一同抵達的還有大批參加過西班牙內戰的陸軍航空兵里的資深飛行尖子。針對之前駐中西伯利亞和東三省的中國空軍部隊機構臃腫，指揮體系混亂的問題，北京將西班牙戰場上的“飛將軍”鮑云生調到中西伯利亞，將整個航空部隊交由他全權指揮。
在精兵強將齊集桑葉河的同時，大批新式戰機也從中國各地匯聚而來。1942年8月21日，桑葉河上空的空軍力量天平已經毋庸置疑倒向中國這邊：900多架涂有“人”字軍徽的戰機和他們士氣高漲磨拳擦掌的駕駛員陸續抵達，時刻準備著痛毆河對面后勁不足的日本人，后者手里戰機只有區區400余架，還不到東北軍的一半。
仗打到這個時候，中日雙方都明白誰占有空中優勢，誰就更可能取得最終的全面勝利。
當中日雙方都已經再也擠不出哪怕一架的增援時，所有人都清楚，8月22日開始的殊死拼殺將決定最終是人字旗和旭日旗誰將閃耀桑葉河上空。這一天，中國人派出了256架“云雀”和149架“披毛犀”組成的龐大機群，日本方面則聲稱有超過400架日本戰機參與了當天的空戰，但大家想象中的一錘定音并沒有出現，結果接下來的幾天，幾百架戰機的大規模混戰成了桑葉河上空的家常便飯。
鑒于人力物力方面的差距，日本方面最不希望看到的就是被頑固的中國人拖入消耗戰，看到單純派出大機群于事無補，日本陸軍航空兵的指揮官們想到了一個釜底抽薪的伎倆，那便是出動爆擊機摧毀中國人的機場。8月27日，237架日本轟炸機在180架戰斗機的掩護下撲向三座中國機場。中國人之前并沒有想到日本人敢大規模深入中西伯利亞腹地的領空，機場的防備并不充分，但即便如此，日本人的偷襲也只在其中一處得手。日軍在偷襲前派出了大批別動隊，其中一批成功的切斷了機場的雷達站、防空了望哨和機場指揮部之間的電話線，結果機場上排滿了對日軍偷襲毫不知情的中國戰斗機，直到日本炸彈砸到頭上才試圖起飛抵抗，卻為時已晚，很多飛機被炸成廢銅爛鐵，得手的日本戰機在其它機場東北軍飛機趕來增援前揚長而去。
并不是每一隊偷襲的日本飛機都有這樣的好運氣，在另外兩處機場，好不容易長途奔襲到中國機場上空，人困馬乏的日本戰機受到了猛烈的地面火力和空中嚴陣以待的中國戰斗機的雙重“歡迎”，被打得落荒而逃，炸彈都被丟到西伯利亞大草原上挖坑去了。雖然實際斬獲聊勝于無，但日本國內的宣傳機構卻開足馬力大造輿論，鼓吹這是一場“神佑的大勝”。
此時的日本宣傳機構在造假方面已經達到了相當高的水平，全日本的報紙上都白紙黑字的登載出“地面摧毀244架中國戰機，空中擊落102架”的“空前戰果”。這個數字遠遠超過被襲擊的三座中國飛機場停放的戰機的總和。東北軍的實際損失要小得多，其中還有一部分戰機最終得到修復。
如果說虛報戰果是各國各時期軍隊的通例，但是就怕這種牛皮吹的太大，連自己人也忽悠住。可惜日本陸軍就屬于能被自己人賣了還興高采烈的笨蛋。聽說日本陸軍航空兵取得了空前勝利，地面上的日軍將領盤算著中國空軍被一氣吃掉近一半，損失近300多架戰機，必然是傷筋動骨，估計要縮回西伯利亞腹地好好療幾天傷。一想到在沒有中國轟炸機在頭頂上投下死亡，日軍立馬又來了勁。
9月3日凌晨，西伯利亞駐屯軍第26、28兩個聯隊在小松原中將的帶領下偷渡桑葉河，摸上了巴因達崗。看著日本人仿佛從地底下鉆了出來，東北軍騎6師被打得措手不及，天還沒亮就被追到巴因達崗西北的地方。好在一位軍官9月2日夜巡巴因達，發現日本人的夜襲，立刻跑回第一集團軍司令部將這一緊急軍情報告給了鐘離衛。鐘離衛立刻把手邊的東北軍和東北軍所有的坦克、裝甲車、摩托化騎兵一股腦砸向巴因達崗，天剛蒙蒙亮，鐘離衛自己也來到距巴因達崗最近的本方陣地，還帶來了炮兵第185團等重炮部隊。而在日軍想象中已經被打殘的中國空軍也蜂擁而至。早上7點30分，多達73架的“快刀”轟炸機在巴因達崗上空展開死亡的陰云，幾架已經被東北軍排山倒海般的數量優勢嚇壞的日軍“烈風”戰斗機恪守了武士的責任，向東北軍機群發動自殺的反擊，卻瞬間被高空呼嘯而下的“披毛犀”戰斗機擊落。更多的中國戰斗機趁日軍全神貫注對付轟炸機的機會，狠狠的向地面上日軍倉促構筑的陣地潑灑彈雨。在被重炮和空中降下的火雨洗刷了幾個小時之后，東北軍的坦克11旅發動進攻，已經被炸的支離破碎的日本防線被中國鐵騎一碾而過。不過日本人卻憑借其野獸般的兇頑又扛了一天，雖然在東北軍空地一體的滾滾鐵流面前被一點點的拍向面向桑葉河的巴因達崗東斜坡，參戰的日本士兵卻相信他們最終能通過桑葉河上的浮橋取得援兵或者逃出升天。誰知9月5日凌晨3點，當前線日軍再也支持不住準備利用浮橋撤退的時候，浮橋卻在他們面前被炸成了碎片。但這并不是東北軍重炮或者戰機的抽薪一擊，而是那位7月3日夜里就率司令部偷渡逃回的小松原將軍擔心東北軍順浮橋沖過桑葉河，竟不顧在對岸拼命苦戰的部屬，命令工兵炸橋。前有追兵，后有大河，渡河的日軍最終在河灘上悲慘的全軍覆沒。值得一提的是，東北軍還派出了一架“鴻雁”炮艇機以河灘為試驗場，拿叫天天不應叫地地不靈的日本敗軍做靶子，搞實戰試驗。這種炮艇機是在“鴻雁”戰略轟炸機的基礎上通過加裝機關炮和榴彈炮的試驗機。一共只有4架。“鴻雁”炮艇機在桑葉河戰場的試驗給東北軍高層和飛機設計師們留下了很好的印象。
當9月5日的太陽懶洋洋的爬起之時，巴因達崗戰斗已經曲終人散。地面上的日軍兩個聯隊全部被消滅，數百門火炮被全部摧毀，天上的飛機也好不到哪去，根據中國方面的記錄，共有75架日本飛機被擊落。
巴因達崗血戰之后，桑葉河兩岸陷入了一種詭異的寂靜之中。三天的血戰，把中日雙方軍隊的各種弱點和問題都暴露了出來。東北軍發現來自蒙古的騎兵部隊（很多是民兵）雖然拿著現代化的武器，但在組織結構和訓練方面卻與正規軍的水平相差甚遠。就算是東北軍自己，對日本軍隊的狡詐陰險和兇頑死硬，也缺乏足夠的準備。而西伯利亞駐屯軍也被東北軍的彈流火雨砸明白了——“皇軍”除了狂熱的“武士道”精神外，裝備和火力和中隊相比，實在是差得太遠。尤其是在裝甲兵作戰方面，差得已經不是一星半點了。所以中日雙方都開始抓緊時間進行部隊的重建和整編，雖然是爭分奪秒，但很多暴露的問題其實都是冰凍三尺非一日之寒。因此，這一段時間除了中日兩國磨刀霍霍的聲音外，桑葉河還算是平靜。
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