1937年5月29日，陈纳德踏上了中国的土地。6月3日，蒋介石、宋美龄接见了他。宋美龄曾在美国乔治亚州读书。陈纳德与她一见如故。此时，宋美龄任航空委员会的秘书长，实际上领导着中国空军。宋要他担任她的专业顾问，并给他两架T-13式教练机，以便于他视察中国空军的现状。通过考察，陈纳德得知国民政府名义上有500架飞机，但实际上只有91架能起飞战斗。
当陈纳德即将完成对中国空军的考察时，抗日战争爆发了。战争正是检验自己空战理论的机会，他决心在蓝天上实现自己的抱负。他马上给蒋介石去电，表示愿在任何能尽其所能的岗位上服务。蒋回电接受了陈纳德志愿服务的请求，让他“即赴南昌主持该地战斗机队的最后作战训练”。根据蒋介石的要求，陈纳德又招募了部分美国飞行员组成了第14志愿轰炸机中队。
1937年8月13日，淞沪会战开始。第二天，陈纳德派飞机参战。虽然轰炸机队投弹偏离目标，但中国战斗机在当日的空战中取得了胜利。1937年10月，中国的飞机只剩10多架，许多中国飞行员阵亡。
陈纳德设法雇用了4个法国人、3个美国人，1个荷兰人和1个德国人，加上6个幸存的中国轰炸机飞行员，组成了一个“国际中队”。他们成功地袭击了几个敌占区目标，造成日军的恐慌。但是在一天下午，日军飞机袭击了机场，使国际中队的飞机全部被炸毁。
按照陈纳德与中国航空委员会所订的3个月合同，他的顾问任期到10月就满了。之后，蒋介石、宋美龄邀请他留在中国参加抗战，他毅然留下了。他们也没谈延长合同的事，只是每月发给他一定的薪金。
当时，美国政府对日侵华战争持“中立”的态度，日本人知道有美国顾问在华帮助中国，曾要求美国下令让所有在华的美国空军人员离开中国。美国国务院将此情况转告陈纳德时，陈斩钉截铁地回答：等到最后一个日本人离开中国时，我会高高兴兴地离开中国。
1937年12月，南京失陷，陈纳德随军撤到汉口。这时中国空军几乎损失殆尽，只得靠苏联援华的飞机来保卫城市。1938年4月29日，是日本天皇的生日。陈纳德和中国、苏联的空军指挥官断定这一天日机不会空袭，决定惩罚日本侵略者。为引诱日机来犯，陈要中国和苏联的飞机佯装撤离汉口，飞往南昌。飞机起飞后先在武汉上空盘旋，让人们（包括日本间谍）看到他们撤离，当夜又溜回机场。
29日清晨，日机从芜湖机场起飞，轰炸机在战斗机的掩护下飞临武汉上空。陈纳德事先侦得日机只有从芜湖到汉口一个来回的汽油，于是派了20架战斗机在城南拖住日军战斗机，使他们消耗大量汽油，在城市安排40架苏联飞机埋伏在高空，等日机折回芜湖时把轰炸机和战斗机分开，日军战斗机因缺油不敢去保护轰炸机，中苏飞机一队攻击轰炸机，一队攻击战斗机，将39架日机击落36架，只有3架落荒而逃。这就是天皇生日的惨败。
1938年8月，根据宋美龄的要求，陈纳德去昆明筹办航空学校，训练中国飞行员。他在昆明极其简陋的条件下对学员进行严格的训练，不少人中途被淘汰。
1940年后苏联空军援华人员陆续撤走，中国空军在数量上处于绝对劣势，特别是飞机更为缺乏。这时中国空军和日本飞机之比是1：53，日本完全控制了中国的制空权。
1940年5月20日，蒋介石召见陈纳德，要他去美国，设法搞到尽可能多的作战物资。陈纳德返美后，虽然他在美国军政界并没什么分量，但他四处宣扬中国人民的抗战，争取各方援助。罗斯福总统的两名助手被陈纳德的游说打动，在罗斯福面前赞成陈纳德关于建立空军的计划。罗斯福决定对华进行军事援助，以把日本拖在中国。
陈纳德几经周折，最终得到100架P-40型战斗机。1941年4月14日，罗斯福总统又签署命令，准许预备役军官和退出陆军和海军航空部队的士兵参加赴华的美国志愿队。1941年7月中旬，陈纳德回到中国时，已有68架飞机、110名飞行员、150名机械师和其他一些后勤人员到达中国。
1941年8月1日，蒋介石发布命令，正式成立中国空军美国志愿大队，任命“陈纳德上校为该大队指挥员”。陈纳德立即开始对志愿队成员进行专门训练。当时条件十分艰苦，有几人最终忍不住辞职了。经过几个月的训练，志愿队人员的技战术水平有了大大的提高。
1941年11月，陈纳德将美国志愿大队编为3个中队。第1队为“亚当与夏娃队”，该队飞机均有亚当围着苹果追夏娃的图案。第2队为“熊猫队”，该队飞机未画熊猫而画有飞行员的漫画像。第3队为“地狱天使队”，该队飞机均画有姿态各异的裸体天使图案。
1941年12月7日，陈纳德率第1中队和第2中队到昆明。20日，一批日机向云南方向飞来，昆明机场所有的飞机都升空迎击，并出师告捷。日入侵飞机10架，被击落6架，3架负伤。志愿队无1架飞机损失。志愿队的初战胜利，给饱经日机轰炸的昆明人民以极大的鼓舞。
当天晚上，昆明各界为美志愿队举行庆功会。报纸头版头条报道战斗经过，称美国志愿队的飞机是“飞虎”，从此飞虎队成为志愿队的代称。12月23日，陈纳德派第3中队转往仰光，协同英军作战。在两个多月的空战中，美英战机对日作战31次，共击落日机217架。
1942年2月3日，宋美龄致电陈纳德，要他出任驻华空军指挥官，军衔升为准将。陈纳德从一个鲜为人知的退役陆军航空上尉，一跃成为世界各国的新闻人物。在美国，太平洋战争开始后，各个战场上的消息都不佳，战争正处于黑暗的时刻。这时突然冒出陈纳德带领一小批“兵油子”取的辉煌胜利的消息，立即引起美国人的轰动和兴奋，陈纳德顷刻之间成为美国家喻户晓的英雄，获得“飞虎将军”的美称。
1942年5月，日军进占缅甸，继而进犯云南。为阻止日军跨越怒江，陈纳德指挥志愿队连续出击。袭击保山、腾冲、龙陵一带的日军运输队，企图强渡怒江的一队日军在志愿队的轰炸下几乎全军覆没。6月，陈纳德率司令部及2个中队前往桂林。12日，志愿队在桂林上空一举击落日机8架，自己仅受伤1架。桂林人民为之欢欣鼓舞，集资2万元慰劳美飞行员。日军遭受打击后，飞行员上天心慌胆怯，因而要求增派飞机。
1942年7月3日，陈纳德根据美国陆军部和蒋介石的命令，解散美国航空志愿队，而以志愿队部分队员为主组建隶属美国陆军第10航空队的第23大队。美国航空志愿队在中国、缅甸、印度支那作战7个多月，以空中损失12架飞机和地面被摧毁61架的代价，取得击落约150架敌机和摧毁297架敌机的战绩。美国航空志愿队共损失26名飞行员。
中国空军在南海攻击日军舰船。美国航空志愿队解散之后，该队所留飞机和人员归并美国陆军航空队第23大队，与派驻中国的第16战斗机中队组成美国空军驻华特谴队，隶属美国陆军第10航空队。陈纳德改任美国驻华航空特谴队司令，军衔仍为准将。
日军得知航空志愿队解散的消息，遂将原在南洋的第3飞行师调往中国，企图一举歼灭新组建的美空军。7月份，日空军凭借数量上的优势，对华中的美空军基地发起进攻，面对数倍于己的敌军，陈纳德仍采取志愿队的空中游击战术，以奇袭和机动的作战方式打击日军。
到7月底，共击毁日军战斗机2架，轰炸机12架。自己损失战斗机5架，轰炸机1架。特谴队初试锋芒，粉碎了日军一举歼灭在华美空军的企图，也表明该队有能力与数倍于己的日本空军周旋。