自此之后，第5航空大队就以扬州为基地，频繁轰炸截击侵犯上海的日本海陆空军，协助国民党冯玉祥等地面部队的淞沪抗战。
8月15日，刘粹刚率领全队人马和另一大队组成的大机群，飞临上海空中，轰炸日军海上各种舰艇，阻击日军登陆，并轰炸虹口日军司令部驻地及其阵地、码头，与日本航空队的多架驱逐机遭遇，奋战数回合，终将日机击退，有力地支援了上海守军的地面作战。
16日，第5大队丁继徐大队长率霍克二式驱逐机15架，飞沪轰炸日军兵营。刘粹刚也披挂上阵，驾驶“2401”号驱逐机，担任掩护。在完成轰炸任务的同时，刘粹刚还以凌厉的冲杀，首先击落日本水上侦察机一架。从此开始了这位“飞将军”个人击落敌机的首次纪录。
17日，刘粹刚率第24驱逐机队的霍克机3架，继续轰炸上海虹口的日军兵营。他和队员们把飞机两翼所载的8枚18磅炸弹，准确无误地投入敌营，顿时日军兵营一片火光和爆炸声。正待返航时，突遇日本上海派遣军特设航空队的8架轰炸机、2架驱逐机。面对敌庞大机群，刘粹刚机警灵活地避开敌驱逐机的截击，和2架僚机比翼作战，配合默契，紧紧咬住3架航速较慢的敌轰炸机，各击落轰炸机一架。余下敌机见状不妙，慌忙调转机头，逃之夭夭。
20日，是中国空军扬眉吐气的一天。下午1时50分，刘粹刚不顾连续作战的疲劳，奉命率领全部人马，再度轰炸上海虹口的日军兵营和阵地。9架霍克三式驱逐机组成V字队形，携带着沉重的炸弹，冒着日军密集的高射炮火，直入敌阵，一刹时，炸弹象雨点似地呼啸而下，多数命中。勇士们正拟返航，突遇敌驱逐机2架，在云层下鬼鬼祟祟地伺机偷袭。刘粹刚下令摆开阵势，集中火力，务歼敌机。他抖擞精神，单机直入。敌长机十分狡猾，在云层上下时隐时现，但还是被刘粹刚咬住了，在有效射程之内，刘及时按动扳机，四挺卡儿脱机关枪喷出4条愤怒的火舌，直射敌机，旋将敌长机击落。敌僚机情知有死无生，哪敢怠慢，加快航速拼命地逃跑，刘粹刚和队员们奋起直追，怎奈敌机钻入云层，未能搜寻到。刘粹刚随即率队飞返扬州。谁知在返航途中又拣到一件“洋捞”，只见一架从长江口外日本航空母舰上起飞的水上双座侦察机，在云层下窥视我方阵地的情况。刘粹刚哪肯放过这绝好的战机，不容分说，加大油量奋勇直追。敌机可能知道今日遇上了强手，不敢恋战，忙不迭地逃往长江口外，妄图寻求航空母舰的庇护或紧急降落。但是，随着“2401”号机马达震耳欲聋的轰鸣声，刘机已追击到敌舰上空，又是一阵猛烈的射击，敌水上双座侦察机就象平时演习的空中飞靶一样，中弹起火，摇摇晃晃地栽落在长江口内。
刘粹刚在一天之内击落两架敌机，创造了中国空军罕有的战绩。
从8月23日起，第5航空大队的主要任务是往返上海、南京之间，继续配合上海守军的淞沪抗战，兼及保卫南京领空。这天，刘粹刚率霍克机四架，由南京出发，掩护友机轰炸在吴淞口登陆的日军及运输舰。这时，日本航空队的5架驱逐机前来拦截我轰炸机群，刘粹刚首当其冲，驾机迎战，即击落敌驱逐机一架。僚机队员袁葆康也不怠慢，学着刘队长的样子，一阵急射，另一架敌机被他击中起火，坠地爆炸。
此时，日军继续增兵上海，大批日军在吴淞口等地登陆抵沪，与淞沪之中国守军展开激战。上海战争的重心移至吴淞、罗店、大场一带。冯玉祥、顾祝同、张治中统率的三路大军一致要求空军给予大力支援，第5航空大队奉命将全部兵力指向扬子江畔，以支援地面作战的部队。一连十几日，刘粹刚和队员们都没有休息，连续作战，屡立战功。
9月6日，5大队全部出动，在浏河附近继续轰击日军登陆部队，刘粹刚的24队和友军的霍克三式驱逐机，以庞大的阵容和猛烈的轰炸，先后击沉掩护登陆的3艘日本兵舰，予登陆日牢以重大杀伤。8日，5大队乘胜出击，轰炸敌舰“出云”号。12日，刘粹刚率霍克机五架，冒着敌人的炮火，在长江口内重创日军巡洋舰一艘。14日，刘粹刚率队轰炸上海郊外的日本派遣军贮藏军需品的仓库。刘机投下数枚重磅炸弹，该日军仓库起火被炸毁。
从9日起，日军航空队不断扩大对南京的空袭。日军每次袭击南京的机群，少者十几架，多者四、五十架，采用多数梯形波状的袭击方式，使南京空防日益困难，不时就会响起防空警报。5大队的勇士们一方面要积极支援上海守军，一方面还要迎击空袭南京的敌机，使空战更加频繁、激烈而残酷了。到9月13日以后，国民党淞沪战场战事吃紧，日军不断增兵。淞沪第一线中国守军被迫撒至第一道防线，日本上海派遣军的航空队因而获得陆上根据地，以此为依托，使日本在上海东战场的空军实力，骤增数倍。据统计，抗战伊始，日本拥有各种作战飞机4000多架，中国只有作战飞机305架。在上海方面，日本空军占有明显的优势，其空军兵力有上海派遣军特设航空队所属的木更律航空队（后移驻台北新竹机场）和鹿屋航空队，以及第5支航空队；第一航空队的“凤翔”，“龙骧”航空母舰和所属的第2航空队的“加贺”航空母舰，还有上海派遣军直属的第3飞行团所辖的5个独立飞行中队。无论数量上还是性能上，日本空军均占优势地位。在敌众我寡、敌强我弱的情况下，中国空军不得不采取避实就虚的游击战法，与日本空军周旋作战。为了防止敌大机群的空袭和决战，我空军只好经常调动，打一仗就调换一个飞机场，使敌人摸不清我方的动向和实力。所以，刘粹刚经常率队转战沪、宁、杭、扬等地，出其不意地打击敌人。由于战事日益紧急，敌庞大机群经常来袭，空军地面后勤供应的物资如食品、弹药、机油等，有时供不应求，中国空军的勇士们在如此艰难危急的战斗、转移中，还要克服物资缺乏所带来的困难。
9月17日，第24驱逐机队的6架霍克机在队长刘粹刚的率领下飞往上海，侦察敌情并轰炸登陆的日军装甲部队，炸毁日军坦克多辆。回来时，勇士们遇到2架日本驱逐机，刘粹刚一马当先，紧紧咬住其中一架，将其击落。分队长王倬也不甘示弱，咬住另一架敌机，经过数个回合的搏斗，敌机被击中，拖出长长的黑烟而坠落。
在保卫南京的空战中，刘粹刚和4大队、5大队的队员们接连打了好几个漂亮仗。9月20日10时，日机40余架分三批空袭南京。之后，又有敌驱逐机3架、重轰炸机6架来袭，频繁地向南京城内投掷燃烧杀伤弹。为了保卫南京人民生命财产的安全，刘粹刚率霍克机9架，偕第17队波音式飞机2架，起飞迎击。刘粹刚驾驶的“2202”号霍克三式驱逐机，如同一头怒吼的雄狮，风驰电掣般地冲入敌阵，将为首的敌长机拦截住，尔后就是一阵清脆的机关枪射击声，那架敌机未及招架，就被刘机击落。刘粹刚马上调转机头，掩护他的两架僚机。二号僚机，老搭档袁葆康，三号僚机董某，他们采取起飞前刘队长交待的打法，在刘机的掩护下，以凌厉的攻势和敏捷的动作，各击落敌机一架。与此同时，第四大队队员乐以琴也驾机助战，将一架轰炸机追杀至镇江以西，终于击落之。短短几十分钟的空战，刘粹刚和队员们就一举击落敌机4架，其余5架飞机加速逃跑，向其主子报丧去了。
22日，日本航空队集中了51架飞机，再度分批空袭南京，一群群重轰炸机满载着各式炸弹、燃烧弹，在驱逐机的掩护下飞临南京上空。南京军用机场上，刘粹刚和队员们分别坐在驾驶舱里，随时准备拦截敌机。当机场指挥员下达起飞命令后，刘粹刚又是身先士卒，第一个驾机而起。这次，他率领着10架霍克机在南京上空分区警戒。在云层下面，敌机群刚一露面，严阵以待的中国空军勇士们即予以迎头痛击，两军激战勇者胜，刘粹刚和他的两架僚机左挡右突，进退自如，一招一式，毫不含糊。任凭敌机狡诈凶残，我自有胜券在握，二号僚机袁葆康配合默契，三号僚机董某技术娴熟，长机刘粹刚左右逢源，这回又是旗开得胜，马到成功，三人各击落一架敌机。“腿长的”敌机一溜烟地逃跑，恨不能再生出双翼来。空战的时间是极短暂的，刚才的南京城上空还是弹雨枪林，不一会儿又照例恢复了宁静。
10月12日，日本航空队不甘心以往的失败，又以庞大的机群轮番轰炸南京城。刘粹刚上尉与第4航空大队长高志航同时凌空作战。“天神”高志航果然名不虚传，他熟练地驾驶着矫健的战鹰，一阵大刀阔斧地冲杀，即击落敌机一架。刘粹刚这时却被一架九六式驱逐机紧紧咬住，任凭刘机如何摆脱，也甩不掉敌机的步步紧追。
九六式驱逐机是日本一种新式强击机，它不但续航时间长，火力强，而且善爬高，速度快，能做超低空飞行。驾驶这种飞机的都是日本空军的“王牌”飞行员。日本航空队鉴于其在上海、南京、杭州等地屡遭挫折，特地从日本调集一批九六式“王牌”驱逐机，投入中国战场的空战，对抗中国空军的阻击。这些九六式驱逐机十分狂妄，自抗战以来的中日空战中，它们依恃其飞机性能的优势，在上海、南京等地大施淫威，如入无人之境。中国空军虽然曾试图痛击之，但一直未能如愿以偿，而且屡遭损伤。为了对付敌九六式驱逐机，“天神”高志航曾专门去南京，与“飞将军”刘粹刚及其队友袁葆康、黄泮扬等人悉心研究用霍克三击落敌九六式驱逐机的战术和方法。
敌九六式驱逐机确实是狡猾凶残的。刘粹刚与敌机刚一交手，敌机就占了上风。刘机在前，敌机在后，刘粹刚突然感到机身发生一阵剧烈的震颤，原来座机被敌机的机关枪击中，刘机上的一部钢丝绳竟被击断了。负伤的座机开始颠簸和失控，飞机只能左转，不能右拐，机身向一边倾斜着，犹如断线的风筝……
刘粹刚自知情况不妙，决定返航，把负伤的飞机开回去。但是，敌九六式驱逐机发现刘机负伤，更是紧迫不舍。这时，仍是刘机在前，敌机在后，敌我态势对刘粹刚极为不利，如果刘机稍有疏忽或畏惧，就会立即被击落。为了扭转被动挨打的局势，刘粹刚决定先甩掉敌机，然后瞅准机会再消灭它！于是，他拉起升降舵，准备上升。但狡猾的敌机显然识破刘机的用意，拼命压迫刘的座机。刘机被迫愈降愈低，机身巳经低于南京城墙的高度，几乎掠及树梢。突然，只见刘机一个鱼跃式的动作，作一个直“8”字上升，意在甩开敌机。敌机依恃其机身较灵，爬升速度快，容易争占高空有利地位的优势，也依样画葫芦，学着刘机作直“8”字上升，这样反而更接近负伤的刘机了。
刘粹刚仍然处于劣势。在这种危急的形势下，他临危不惧，沉着应战，重复刚才的动作，再次作直“8”字上升，并通过弯转曲回的动作避免座机进入敌机的有效射程和火力网内，以减少敌机射击的机会。刘机仍然在前，敌机紧随其后，双方都用最大的马力增加速度，作辗转翻腾的恶斗。
南京城内的老百姓也顾不得防空警报还未解除的危险，纷纷走出防空洞，成千上万的人群在为刘机加油，呼喊，有的在祈祷，更多的人在为刘机捏一把汗，他们的心都悬起来了。敌机毕竟是张“王牌”，仍死死地咬住刘机，十分刁钻顽固。刘机虽然使出了浑身的解数，但毕竟负伤在身，行动不便。刘粹刚暗想，这回真算碰上对手了，反正今天也该倒霉，索性拼它一场，来它个你死我活，鱼死网破！刘机在七、八千英尺的高空愈转愈低，降到2000英尺上下时，刘粹刚再一次拉起升降舵，作第三个直“8”字上升了。当这次上升的最后一个动作将完而未完时，紧紧尾随的敌机以巨大的冲击力直越刘机，情况突变，敌机在前，刘机在后，两机又相距甚近。刘机反客为主，在这千钩—发的有利时机，刘粹刚既避且瞄，将机头一仰，把长串的枪弹射向敌机，敌机多处中弹，汽缸被击毁，顿时坠落在南京城内夫子庙以北的一条大街上，触及民房而粉碎。“飞将军”驾驶着负伤的战鹰胜利返航，安全降落在机场上。
南京人民对日机的狂轰滥炸万分痛恨，今天目睹了这场惊心动魄的空战，情不自禁地欢呼雀跃，欣喜若狂。在空袭警报尚未解除的时间内，万人空巷，纷纷赶到敌九六式驱逐机坠落的现场观看，人群中传出阵阵欢呼声，异口同声地称赞中国空军的勇士。南京中国空军总指挥部参谋长张有谷亲自率领一批空军机械人员，前往现场拆卸，搬运日机残骸。他们好不容易才挤进那沸腾如潮的人群中，火速工作，尔后又费了很大气力和口舌，在人群中劝开一条大路，运走日机残骸和日本“王牌”飞行员的尸体。
这场空战，打破了“大日本帝国皇军”的九六式驱逐机“不可战胜”的神话，大长了中国人民的志气，大灭了日本“皇军”的威风，极大地激发了人们的抗战热情。刘粹刚的英名也由此更加闻名遐迩，家喻户晓，成为中国空军第一次击落敌九六式驱逐机的英雅。就连不真心抗日的蒋介石也深表赞许，国民政府最高当局和中央航空委员会、中国空军总部均予嘉奖。
刘粹刚的英名使不可一世的“皇军”航空队闻风丧胆。日本侵华航空队的飞行员在与中国空军作战时，最惧怕撞见刘粹刚的“2401”号座机。日本空军号称“四大天王”之一的“王牌”飞行员加藤健夫上尉被击毙后，在他的遗物中发现一本日记，他在日记中写道，“我回忆在太湖上空与刘粹刚的2401号机遭遇战时，他驾驶技术特别熟练而狡猾，射击也准确，他是赵云（赵子龙）式的勇土，尤其是在飞机即将失速、万分危险时刻的一个巧妙的急转弯，顷刻间使不利地位变成优势的‘绝招’，我学会了他这手‘绝招’，也拿来训练我的部下。”
刘粹刚在此后的3个多月里，率部和友军一道击落大批敌机，其个人总计击落日军飞机达11架之多，创造了中国空军个人击落敌机的最高纪录。同时，他还多次直接驾机轰炸、或掩护轰炸日军司令部、兵营、阵地、仓库、码头等；击沉日军舰船4艘，重创多艘；击毁日军坦克车多辆，阻击日军登陆部队，歼灭了日军的一些有生力量，有力地支援了地面部队的作战，配合了淞沪战，配合了淞沪战场的抗战，保护了沪、宁人民财产的安全，为抗战做出了应有的贡献。为了表彰他的巨大功勋，南京国民政府、中央航空委员会、中国空军总部曾多次通令嘉奖慰勉，并颁发给他七星星序奖章和二等宣威奖章各一枚。