日本海军为了向天皇老子献媚，急忙调来海军“左世保”第2航空队，计划于“天长节”当天对武汉再次实施空袭。
4月20日，日本1架双座侦察机在湖北孝感上空侦察时被我击落，在摔死的日军飞行员身上搜到1本笔记本，上面记录了这一重要情报，这使中国空军能够提前做好迎战准备。我方决定将主要兵力事先部署在武汉周围，以较优势之兵力给对方一个措手不及，来个瓮中捉鳖，但日军并不知晓这些情况。与此同时，苏联援华志愿飞行队也秘密转场至孝感机场附近，待机行事。
29日午后2时30分，由日本海军第2联合航空队小园少佐率领的27架（笔者注；据日本战史出版物记载应为28架，国内一些权威文献也有18架之说的）96式舰战（可译为三菱96式舰载战斗机，代号A5M）和由棚町少佐带队的18架（国内文献也有24架甚至27架之说，很可能系误传）
中国军队参战飞机
“96式陆攻”轰炸机，合计数十架敌机气势汹汹地沿长江一路进发、向我武汉猛扑而来，企图轰炸我空军基地和汉阳兵工厂。我空军第三大队、第四大队（大队长毛瀛初）和第五大队（大队长董明德）从汉口王家墩机场派出19架伊-15式战斗机，加上从南昌赶来的苏联志愿飞行队的45架战斗机，合计64架，旋即进入迎战势态。
我方的战术分工是：以速度相对较大的伊-16式战斗机用于保卫城市上空，主要任务是消灭入侵之敌轰炸机；而机动性相对较强的伊-15则巡徊在武汉东北郊上空，主要任务是对付掩护敌轰炸机的战斗机。
2时45分，敌96式战斗机抢先窜入武昌空域，在3000米之下的武汉三镇，300万军民不顾自身安危，纷纷上街，“引颈东望我机群迎战的空域”，以示声援与关注。入侵之敌当即遭到我军四大队空中健儿的迎头痛击。
观看空战的中国民众
而由棚町少佐指挥的18架96式轰炸机，在9架96式战斗机的直接掩护下，猖狂窜至汉阳上空准备投弹。但见我地面高炮火力凶猛，故在仓促投弹后立即调头逃窜。此刻，正撞上守候在孝感至黄冈一线的苏联飞行队，后者逐与随轰炸机群一起逃窜之日本战斗机展开了激战。不久，中国空军第三、第五大队也及时杀到，将敌空中编队团团包围。
这场鏖战持续了将近半个小时，我方共计击落敌机21架，其中轰炸机10架，战斗机11架。
这些敌机分别坠毁在孝感、黄冈、梁子湖、东湖、徐家棚、青山、段家店、椹家矶（第一个字实应该是：言字旁加一个甚字）、洪山、武昌东郊、纸坊、豹子邂（最后一字应该是：三点水加一个解字）、汉口和长江沿岸。日寇飞行员被毙50余人！2人跳伞后被我军生俘。此役，我军损失战斗机12架，伤亡5人。
