1951年夏，美军发起“空中封锁铁路线”的“绞杀战”。美空军增至十九个联队和大队，作战飞机达1400余架。
8月26日志愿军空军奉命与苏军航空兵一部担负保护平壤以北主要交通线和掩护安州地区机场修建的任务。9月，志愿军空军以师为单位，在苏联空军带领下，轮番进入一线机场参战。
9月12日，第4师两个团共五十五架米格—15型飞机，在师长方子翼和政委谢锡玉的率领下，再次进驻浪头机场。
25日，第4师出动三十二架飞机，配合苏联空军，与企图袭击清川江桥的美军百余架飞机混合机群交战。
在战斗中，第1大队大队长李永泰在美F—86型战斗机的围攻下，飞机受伤五十六处，但他沉着应战，驾驶飞机返回基地，被誉为“空中坦克”。飞行员刘涌新单机与六架F—86交战，击落其中一架后壮烈牺牲。他开创了击落美国最新式的“佩刀”式飞机的记录。
在接下来的五天空战中，第4师与苏联空军飞行员密切配合，共击落美机二十六架，击伤八架。10月2日，毛泽东在空军关于第4师作战情况的报告上批示：“空四师奋勇作战，甚好甚慰，你们予以鼓励是正确的，对壮烈牺牲者的家属应予以安慰。”
10月，在高射炮兵和苏联空军的配合下，第4师和美军连续进行了六次大规模的空战。其中在5日，第4师共起飞二十架飞机到清川江上空打击美战斗轰炸机，掩护地面部队过江，击落美F—80型战斗轰炸机三架、击伤两架，自身损失飞机一架。
志愿军空军第4师一个月作战，共战斗出动508架次，其中敌我双方战斗机达200余架的空战有七次，共击落美机十七架、击伤七架，自身损失十七架。10月20日，第4师转到二线休整，总结作战经验。
同一天，第3师在代师长袁彬、政委高厚良率领下到一线参战。该师装备米格—15型飞机五十架、飞行员五十名。11月4日和16日，第2师（师长张庆和、政委张百春）、第14师（师长王毓淮、政委谢继友）分别转到第一线参战，由第3师带领作战。12月和1952年1月，志愿军空军第6师（政委张志勇、副师长北沙）、第15师（师长黄玉庭、政委崔文斌）分别进入一线参战。志愿军空军大批部队陆续投入战斗，大大削弱了美军在鸭绿江至清川江之间的“空中优势”，并在战斗中成长壮大起来，与苏联空军一道，掌握了清川江以北一定时间的制空权。
1951年9月，美国情报部门发现在朝鲜西北部距中国边境90英里处有三个特大的飞机场正在迅速建设。美军估计，一旦这些机场建成并投入使用，将大大加强中朝军队的空中力量，使“联合国军”的空中和地面活动受到严重威胁。
美军迅速采取行动，从10月18日开始对三个建设中的机场进行了一系列的攻击。
10月23日，美军动用八架B—29轰炸机和大约100架战斗机护航队对朝鲜北部一个正在建设中的喷气式战斗机基地——南市简易机场进行空袭，遭到150架米格飞机的截击。
志愿军空军第3师，在学习第4师作战经验的基础上，先打小机群，待积累实战经验后，再打大机群。从11月2日至10日与美空军分散活动的小机群交战五次，击落美机八架。从11月16日起，第3师开始与美大机群较量。
18日下午，志愿军空军第3师第9团起飞十六架飞机迎战美军大机群。第1大队六架飞机到达清川江上空时，发现左前方低空有六十余架F—84型战斗轰炸机活动，有的正在轰炸清川江江桥。大队长王海率队冲入美机群，他和僚机各击落两架美机。飞行员孙生禄敢于空中拼刺刀，在300米的近距离上开炮击落美机一架。在这次战斗中，第9团共击落六架美机，其中有五架是1大队击落的。在整个战争期间，第1大队空战八十余次，击落击伤美机二十九架，被誉为“英勇的王海大队”。
23日，志愿军空军第3师第7团副团长孟进率二十架飞机与二十余架F—84型飞机交战，创造了一次空战击落击伤美机八架、自己仅轻伤一架的成功战例。在此次战斗中，大队长刘玉堤创造了一次空战击落美机四架的记录。
12月2日、5日、8日，每天都有300架飞机在空中鏖战，每天美军航空兵都受到新的打击。志愿军空军第3师第一次轮战（1951年10月21日至1952年1月14日），击落击伤美机六十四架，其中刘玉堤、赵宝桐各击落击伤美机八架，王海、范万章各击落击伤美机五架。第3师被击落击伤二十三架。
在志愿军空军和苏联空军的联合打击下，1951年10月底，美国远东空军司令威兰被迫取消B—29型战略轰炸机昼间的轰炸行动。
11月，美国空军参谋长霍伊特·S·范登堡在一次记者招待会上承认，“我们遭到了自朝鲜战争以来最惨重的损失……”“鉴于朝鲜空中发生了一种重要的，从某种程度上讲可以说是险恶的变化，……几乎在一夜之间中国便成了世界上空军力量中最强大的国家之一，……我们过去所一直依赖的空中优势，现在已面临着严重的挑战”。
美国空军战史写道：
共军米格由于占有数量上的优势，所以11月份在平壤以北他们到处取得了主动地位，而联合国军所有的飞行员则只能对共军飞行员发动的进攻进行抵抗而已。
12月16日，威兰在记者招待会上承认，对交通线进行空中封锁越来越困难了。
经过实战的初步锻炼，从1952年1月开始，志愿军空军已能够独立作战。志愿军空军采取以老带新的方式，继续以师为单位进行轮番作战。根据第一线机场的情况，每轮作战部队保持三至四个师。
1月16日，志愿军空军第4师又一次到达一线。
2月，毛泽东指示空军：“必须抓紧时机进行实战锻炼，要十分重视实战锻炼对空军部队的意义，那怕求得只打几次空战也是好的。”根据毛泽东的这一指示，志愿军空军第12、第17、第18师又陆续到一线参战。
2月10日上午，美军飞机到平壤、沙里院和价川地区上空活动，其中F—84、F—80型战斗轰炸两批十六架在十八架F—86的掩护下，轰炸军隅里附近的铁路线。志愿军空军司令部命令第4师起飞三十四架米格—15型飞机迎敌。
美机利用云层的遮蔽悄悄地向志愿军机群接近。第12团第3大队大队长张积慧发现美机立即向带队长机报告，带队长机果断下达战斗命令。张积慧和僚机单志玉扔掉副油箱爬高，争取高度优势，准备攻击。在这一过程当中，他们却发现自己脱离了编队。于是他们一边追赶编队，一边搜寻敌机。
突然，张积慧发现八架美机从右后方云层中向自己扑来。张积慧提醒单志玉保持队形，然后做了个右转上升，美机扑了个空。张积慧和单志玉顺势咬住了美机长机。美机企图逃脱，又是俯冲又是拉升，但都无法摆脱。在第一次开炮未中目标的情况下，张积慧在距美机600米的距离上三炮齐发，几十发炮弹喂给这架美机，将其击落在博川郡的一个山坡上。接着，张积慧在单志玉的配合下又将另一架美机击落。
当时张积慧并不可能知道与他进行空中格斗的美机长机由何人驾驶。空战结束后，从美机残骸中找到一枚驾驶员证章，上面刻着：“第4联队第334中队中队长乔治·A·戴维斯少校”。这才知道，张积慧当时是在与鼎鼎大名的戴维斯较量。戴维斯在第二次世界大战中参加过266次战斗飞行，飞行总时间超过3000小时，是被美国空军高度推崇的所谓“百战不倦”的“特别勇敢善战”的“空中英雄”，著名的“王牌”飞行员。
美国远东空军司令威兰中将在2月13日的一项特别声明中证实，戴维斯被击毙。他说，这“是对远东空军的一大打击”，“是一个悲惨的损失”。
1951年9月至1952年5月：志愿军已有九个师十八个团的歼击机部队和两个轰炸机师部队轮番参战，参战飞行员447名，战斗出动680批，空战1602架次，击落美机123架、击伤43架，为击破美军的“绞杀战”做出了重要贡献。