下午3点50分，日军第二梯队田中机队的十二架轰炸机，刚刚进入兰州空域，便遭到苏联空军志愿队十四架战斗机的围攻。日军机群慌忙将一百四十四枚五十公斤级的炸弹胡乱投下，夺路而逃。
日军第三梯队河岛机队的九架轰炸机，在兰州城内和西古城机场投弹完毕，正要返航，在机场东北角被中国空军第十七中队拦住，双方展开空中激战。
这次空战，中国空军共击落八架日机，白塔山的苏罗通高射炮击落一架，苏联志愿队损失一架飞机。日军向上司谎报击落中国飞机三十六架，而上司信以为真，根据这项离谱的战绩进行评估，认为兰州的中国空军力量已经瓦解，于是将第三次攻击目标从机场改为兰州市中区的中国第八战区长官公署。
23日，日军发动第三次空袭。他们改变花样，在发动进攻前一个半小时，以上次轰炸中受到重创的服部机队执行佯攻，轰炸兰州以东约二百六十公里的平凉，然后轰炸宝鸡，企图迫使兰州地区的中国战机提前升高，消耗油料，日军河岛机队和田中机队再乘机轰炸兰州。
河岛机队八架轰炸机和佐濑育三第六十机队的十二架轰炸机，从运城出发，分别于下午2点53分和2点54分侵入兰州上空。中国空军第十五中队的三架苏制И-15战斗机，分别由余平想副队长和李德标、陈崇文驾驶，首先冲向日军机群。接着，第十七中队和苏联志愿队的二十八架战机从四面八方向日军机群展开攻击。
