日本实施大规模飞机集群轰炸后，制空权一度被日军掌握，但东北军很快扭转了局势。东北军把速度高于日军战斗机而机动性稍差的“云雀”式战斗机与速度低于日军飞机而机动性更强的“雨燕”式战斗机编组在一起，并将速度与火力都超过日本飞机的“披毛犀”式新型战斗机及新式的“快刀”中型轰炸机投入战场上空。
9月7日，在双方地面战争接近尾声时，空战正进入。
驻东西伯利亚的日本陆军航空兵部队是第2飞行军团，飞行军团由两个以上的飞行团构成，飞行团下属编制为飞行战队。由于飞行团专门担任制空或者是对地攻击任务，其编制时常根据战况发生改变，但飞行军团一般会下辖10个飞行战队，每个飞行战队后来被分为3个飞行中队。由于日本陆军航空兵的编制极为混乱，如飞行战队这个编制，是1938年才从飞行大队和连队改编而来。而飞行军团编制也是1939年才出现，第2飞行军团是在1939年3月与本土的第1飞行军团一起编成，1942年4月就被改编为第2飞行师团，其下辖的各战队始终是变幻莫测。桑叶河战役前第2飞行军团手里有两个飞行团，负责制空任务的第12飞行团拥有4个使用战斗机的飞行战队，第1飞行战队、第64飞行战队和第11飞行战队共装备88架先进的“烈风”，而则使用较为落后的“零”式的第24飞行战队虽然在纸面实力上也拥有几十架战斗机，日本方面去很有自知之明，没有将这些飞机送给中国人做点心。
日本的飞行中队装备战斗机时标准配置为10架，实际为8至12架，使用轰炸机或者观测机时则只配备6架，实际一般不会多于8架，也不会少于4架。
除了战斗机之外，第2飞行军团还装备了24架轻型轰炸机（轻爆）和13架重型轰炸机（重爆），全部属于第9飞行团。与战斗机部队相比，轰炸机飞行队的来源更为繁杂，比如13架重爆，就包含第12飞行战队的两个飞行中队。
1940年的日本陆军航空兵已经不再是嗷嗷待哺的“雏鹫”，开始将贪婪的眼睛盯上西面的中国东北军空军，后者在和苏联的历次武装冲突中表现极为活跃，给日军造成了巨大困扰。虽然中日两国的航空水平都属于世界一流，但是中国的工业化和大规模生产做的较好，人力资源也更为丰富，日本陆军航空兵本部认为与东北军拼消耗是不明智的，因此决定通过将航空部队与基地分离的方式增强航空部队的机动性，依靠快速前线机场展开，攻东北军不备，这种偷袭战术与德国闪电战在航空力量方面的使用设想不谋而合。为了使航空部队不再拴在各自的机场上，从1937年开始，也就是昭和12年，日本陆军航空兵开始在中日对峙的前线东西伯利亚和日本本土组建拥有独立支援地勤甚至是机场高射炮部队，能够脱离机场独立机动作战的飞行战队。各飞行战队手中的日常地勤维护和拥有大修能力的野战工厂以及机场地面防御部队都被统一编为“飞机场大队”。
至此日本陆军航空兵总算拥有了快速前沿展开的能力，但是其飞行战队编制仍过于臃肿，在太平洋战场上，日本陆军航空兵又发展出更为激动灵活的飞行师团，和能够与地面紧密协同，编制比一般飞行中队稍大的“独立飞行中队”，两个独立飞行中队就可以构成一个“独立飞行队”。当然这种灵活编制并非凭空出现，其滥觞就是在东西伯利亚和中国战场多次出现过的“独立飞行大队”。
独立飞行大队进驻白桦城之后没几天，7月20日（日方记录）或21日（中方记录），桑叶河上空爆发了第一次空战，一架执行战场侦察巡逻任务的东北军“青凤”侦察战斗机被日军“烈风”式战斗机击落。在被袭击之后东北军针锋相对的派出战斗机在桑叶河上空磨拳擦掌，7月22日第一次双方战斗机爆发首次正面交锋，日方的记录中，一架“烈风”在巡逻中遭遇了6架“青凤”战斗机组成的机群，并将其中三架击落，中方的记录承认了失败，但是细节上与日军有些出入：3架“青凤”和2架“云雀”被5架日军“烈风”偷袭，一架“青凤”不幸被击落，另一架虽然身负重伤，却安全降落。与此同时，东北军和日军的司令部都在四处搜罗援兵充实本方的空军实力，东北军方面在7月20日之前的准备显得漫不经心，动起手来却发现对面的日本人明显是蓄谋已久有备而来。痛定思痛，中国人以惊人的效率将战机塞满了能够覆盖桑叶河的机场。
7月23日，东北军第22战斗机团抵达前线机场，其装备中最引人注目的是28架新式的“金丝燕”式战斗机，这款战斗机是根据西班牙内战的经验，将火力提升了一倍，发动机罩和机翼上共安装了4挺机枪，速度加速性好，垂直和水平机动都非常出色，相对前面来说唯一稍显不足的就是滚转性能略差。另外第22战斗机团还有36架老式的“青凤123乙”，这批飞机在之后的作战中大部分时间担任对地任务，其坚固的机体和灵活的身法还有翼下的火箭使得它们成为地面日军的噩梦。几天之后，59架隶属第38高速轰炸机团的“快刀”中型轰炸机也赶到了前线。
面对中国方面的大举增兵，日本方面也始终没有停下增兵的脚步。7月24日，第11飞行战队的两个中队带着200架“烈风”飞抵白桦城。三天之后日本人已经可以在桑叶河上空拍出庞大的飞机集群。在双方空军部队磨刀霍霍之时，地面上的人字旗却已经渡过了桑叶河，还在东岸建立了坚固的桥头堡阵地，静等旭日旗下的野兽们过来撞个头破血流，深感“皇军”面子被中国人狠狠扇了一巴掌的日本陆军，正在集结力量准备给中国人一个大大教训，当然日后的战役发展证明，这个教训在天上或者地下，恰恰都是给日本人自己的。
虽然地面作战打得有声有色，天空却被日本飞机的机翼遮蔽了光彩。在7月28日这一天，3架“青凤”在桑叶河上空撞见了一群日本战斗机，仗着人多势众，日本战斗机在几分钟内连中三元，上演了空中帽子戏法。这一天晚些时候，又有10架“青凤”被日军飞机偷袭，18架“烈风”躲在高空，看准目标后呼啸而下。中国战斗机虽然奋起反击，怎奈高度和速度优势都不在自己一边，最终被击落6架，另有一架“青凤”勉强迫降，本以为逃过一劫，没想到日本人不依不饶，俯冲而下轮番扫射，最终将这架“青凤”打成一堆火焰。侥幸生还的“青凤”中还有两架严重受损，只能在最近的前线机场迫降，落地后便报废了。而打得东北军只剩一架全身而退的日本人自己却是毫发无损。
看着空中的损失逐渐增多，东北军的高级将领也是心急如焚。当时的东北军第37装甲军司令郭松龄亲自上书北京报告日本航空部队在桑叶河上空占尽优势、横行无忌。结果，8月2日他以“丧失战斗意志”的理由被撤换，继任者钟离卫上任伊始便着手将士气低落的部队改编为第一集团军。
实际上，北京早就对东北军空军在桑叶河的糟糕表现有所耳闻，也已经计划好如何扭转颓势。与新任司令员一同抵达的还有大批参加过西班牙内战的陆军航空兵里的资深飞行尖子。针对之前驻中西伯利亚和东三省的中国空军部队机构臃肿，指挥体系混乱的问题，北京将西班牙战场上的“飞将军”鲍云生调到中西伯利亚，将整个航空部队交由他全权指挥。
在精兵强将齐集桑叶河的同时，大批新式战机也从中国各地汇聚而来。1942年8月21日，桑叶河上空的空军力量天平已经毋庸置疑倒向中国这边：900多架涂有“人”字军徽的战机和他们士气高涨磨拳擦掌的驾驶员陆续抵达，时刻准备着痛殴河对面后劲不足的日本人，后者手里战机只有区区400余架，还不到东北军的一半。
仗打到这个时候，中日双方都明白谁占有空中优势，谁就更可能取得最终的全面胜利。
当中日双方都已经再也挤不出哪怕一架的增援时，所有人都清楚，8月22日开始的殊死拼杀将决定最终是人字旗和旭日旗谁将闪耀桑叶河上空。这一天，中国人派出了256架“云雀”和149架“披毛犀”组成的庞大机群，日本方面则声称有超过400架日本战机参与了当天的空战，但大家想象中的一锤定音并没有出现，结果接下来的几天，几百架战机的大规模混战成了桑叶河上空的家常便饭。
鉴于人力物力方面的差距，日本方面最不希望看到的就是被顽固的中国人拖入消耗战，看到单纯派出大机群于事无补，日本陆军航空兵的指挥官们想到了一个釜底抽薪的伎俩，那便是出动爆击机摧毁中国人的机场。8月27日，237架日本轰炸机在180架战斗机的掩护下扑向三座中国机场。中国人之前并没有想到日本人敢大规模深入中西伯利亚腹地的领空，机场的防备并不充分，但即便如此，日本人的偷袭也只在其中一处得手。日军在偷袭前派出了大批别动队，其中一批成功的切断了机场的雷达站、防空了望哨和机场指挥部之间的电话线，结果机场上排满了对日军偷袭毫不知情的中国战斗机，直到日本炸弹砸到头上才试图起飞抵抗，却为时已晚，很多飞机被炸成废铜烂铁，得手的日本战机在其它机场东北军飞机赶来增援前扬长而去。
并不是每一队偷袭的日本飞机都有这样的好运气，在另外两处机场，好不容易长途奔袭到中国机场上空，人困马乏的日本战机受到了猛烈的地面火力和空中严阵以待的中国战斗机的双重“欢迎”，被打得落荒而逃，炸弹都被丢到西伯利亚大草原上挖坑去了。虽然实际斩获聊胜于无，但日本国内的宣传机构却开足马力大造舆论，鼓吹这是一场“神佑的大胜”。
此时的日本宣传机构在造假方面已经达到了相当高的水平，全日本的报纸上都白纸黑字的登载出“地面摧毁244架中国战机，空中击落102架”的“空前战果”。这个数字远远超过被袭击的三座中国飞机场停放的战机的总和。东北军的实际损失要小得多，其中还有一部分战机最终得到修复。
如果说虚报战果是各国各时期军队的通例，但是就怕这种牛皮吹的太大，连自己人也忽悠住。可惜日本陆军就属于能被自己人卖了还兴高采烈的笨蛋。听说日本陆军航空兵取得了空前胜利，地面上的日军将领盘算着中国空军被一气吃掉近一半，损失近300多架战机，必然是伤筋动骨，估计要缩回西伯利亚腹地好好疗几天伤。一想到在没有中国轰炸机在头顶上投下死亡，日军立马又来了劲。
9月3日凌晨，西伯利亚驻屯军第26、28两个联队在小松原中将的带领下偷渡桑叶河，摸上了巴因达岗。看着日本人仿佛从地底下钻了出来，东北军骑6师被打得措手不及，天还没亮就被追到巴因达岗西北的地方。好在一位军官9月2日夜巡巴因达，发现日本人的夜袭，立刻跑回第一集团军司令部将这一紧急军情报告给了钟离卫。钟离卫立刻把手边的东北军和东北军所有的坦克、装甲车、摩托化骑兵一股脑砸向巴因达岗，天刚蒙蒙亮，钟离卫自己也来到距巴因达岗最近的本方阵地，还带来了炮兵第185团等重炮部队。而在日军想象中已经被打残的中国空军也蜂拥而至。早上7点30分，多达73架的“快刀”轰炸机在巴因达岗上空展开死亡的阴云，几架已经被东北军排山倒海般的数量优势吓坏的日军“烈风”战斗机恪守了武士的责任，向东北军机群发动自杀的反击，却瞬间被高空呼啸而下的“披毛犀”战斗机击落。更多的中国战斗机趁日军全神贯注对付轰炸机的机会，狠狠的向地面上日军仓促构筑的阵地泼洒弹雨。在被重炮和空中降下的火雨洗刷了几个小时之后，东北军的坦克11旅发动进攻，已经被炸的支离破碎的日本防线被中国铁骑一碾而过。不过日本人却凭借其野兽般的凶顽又扛了一天，虽然在东北军空地一体的滚滚铁流面前被一点点的拍向面向桑叶河的巴因达岗东斜坡，参战的日本士兵却相信他们最终能通过桑叶河上的浮桥取得援兵或者逃出升天。谁知9月5日凌晨3点，当前线日军再也支持不住准备利用浮桥撤退的时候，浮桥却在他们面前被炸成了碎片。但这并不是东北军重炮或者战机的抽薪一击，而是那位7月3日夜里就率司令部偷渡逃回的小松原将军担心东北军顺浮桥冲过桑叶河，竟不顾在对岸拼命苦战的部属，命令工兵炸桥。前有追兵，后有大河，渡河的日军最终在河滩上悲惨的全军覆没。值得一提的是，东北军还派出了一架“鸿雁”炮艇机以河滩为试验场，拿叫天天不应叫地地不灵的日本败军做靶子，搞实战试验。这种炮艇机是在“鸿雁”战略轰炸机的基础上通过加装机关炮和榴弹炮的试验机。一共只有4架。“鸿雁”炮艇机在桑叶河战场的试验给东北军高层和飞机设计师们留下了很好的印象。
当9月5日的太阳懒洋洋的爬起之时，巴因达岗战斗已经曲终人散。地面上的日军两个联队全部被消灭，数百门火炮被全部摧毁，天上的飞机也好不到哪去，根据中国方面的记录，共有75架日本飞机被击落。
巴因达岗血战之后，桑叶河两岸陷入了一种诡异的寂静之中。三天的血战，把中日双方军队的各种弱点和问题都暴露了出来。东北军发现来自蒙古的骑兵部队（很多是民兵）虽然拿着现代化的武器，但在组织结构和训练方面却与正规军的水平相差甚远。就算是东北军自己，对日本军队的狡诈阴险和凶顽死硬，也缺乏足够的准备。而西伯利亚驻屯军也被东北军的弹流火雨砸明白了——“皇军”除了狂热的“武士道”精神外，装备和火力和中队相比，实在是差得太远。尤其是在装甲兵作战方面，差得已经不是一星半点了。所以中日双方都开始抓紧时间进行部队的重建和整编，虽然是争分夺秒，但很多暴露的问题其实都是冰冻三尺非一日之寒。因此，这一段时间除了中日两国磨刀霍霍的声音外，桑叶河还算是平静。
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