为纪念“九·一八”事变6周年，国民党组织空军向上海的日军阵地、后勤集散地和日舰等重要目标进行了彻夜轰炸，致使日军损失惨重。为了报复，日机于次日开始对我南京轰炸。由于日军已经占领了上海的几个野战机场，日本海军航空队新锐战机三菱96式飞机利用陆基进行空袭。
日方空袭的60余架96式重型轰炸机，装备有2台500马力的活塞发动机，翼展25米，机身长16.45米，续航时间12小时，航程4000公里，载弹量1600公斤，装备机关炮一门，机枪4挺。相对于日本的96式飞机，国民党的主力战斗机霍克-III性能相对落后，在空战中十分被动。
经过多次空战，国民党飞行员屡屡受挫，人机损失不小，许多飞行员开始对战胜日本战斗机、抗击敌护航编队空袭的可能性有所顾虑。这时恰好高志航由汉口出院，擢升中国空军驱逐司令，兼任4大队大队长，专责南京防空任务，负责指挥3、4、5这3个最精锐的大队抗击日军空袭。
刚刚赶回南京前线的高志航为了打消飞行员的顾虑，特向航空委员会秘书长宋美龄提出建议，将原本作为战斗、轰炸双重任务的霍克-III进行轻量化改装，将机翼下的炸弹挂架、机腹整流罩、副油箱和起落灯具拆除，把霍克-III彻底改造为专门制空格斗的战斗机，放弃对地攻击性能。经过改装，飞机重量减轻，最大速度增加了10km/h，转弯半径也有减小，格斗性能增强，由有经验的飞行员驾驶便可以与日机一搏。
9月26日，日本海军航空队第13航空队分队长山下七郎大尉率驱逐机5架掩护12架轰炸机群轰炸南京，与国民党空军4大队高志航大队长率领的改造后霍克-III战斗机12架遭遇，同时5大队刘粹刚带领的9机也赶来支援，双方立即展开激战。
国民党方参战的刘粹刚、柳哲生、李桂丹等都是久经战阵的优秀飞行员，都已经有了击落记录，有相当丰富的空战经验。日方第13航空队也是日本海军航空队的主力（后来最先换装“零”式战机在重庆进行首次空战的也是这支部队）。
在各自长机的带领下，中、日双方最优秀的飞行员在南京紫金山上空展开了激烈的空战。日机利用其机动性好的优势，一下缠住高志航带领的霍克-III机群，企图掩护轰炸机下降高度溜掉，而刘粹刚编队正好乘机赶上去截住一阵攻击，当场在栖霞山上空击落第1架日本轰炸机。
在另一边，高志航识别出山下的指挥机编号，直取带队长机位置的山下而去。他虽然不知道驾机的就是妄称“四大天王”之一的山下七郎，但是高志航还是十分清楚，率先换装最新型战机日军部队带队长机的指挥官肯定非等闲之辈。
高志航全神贯注地和山下展开了激烈格斗，经过一番缠斗，从高空打到低空不足100米。彼此追尾多次，经过30分钟空战后，高志航终于把山下那银色的座机套入了瞄准具，双枪并发，山下机立刻冒出黑烟，向上海方向逃窜，最后迫降于苏州以东太仓县。山下及所驾驶的126号战机被俘获，他是自开战以来被俘虏的日军飞行员中军衔最高的军官。
由于右手旧伤复发，高志航见山下机起火后没有继续追击，而向南京大校场返航。着陆瞬间的震动使高志航几乎昏迷过去，但是飞机停下后，他还是咬牙从座舱中爬出来，向大家致意，以免损伤士气。
空战结束后，日方统计有3架飞机战损，但他们无论如何也不肯相信皇军的“天王”山下七郎会被我俘虏，坚持认为其已经战死，或者落地后自尽以效天皇。
但恰恰在这时，山下被我军民俘虏，并送回南京。高志航亲自审问山下，山下开始不愿承认自己是被中国空军击落的，于是高志航让他看在机场着陆的飞机，从里面爬出的飞行员个个都是地道的中国人，山下才不得不承认中国空军飞行员的高超技艺。
高志航以宾客之礼对待山下，同时又正告山下，中国空军是为了保卫自己的祖国、自己的家园、自己的亲人而战，绝对不会退却，将战斗到最后一个人。
