日军机群见势不妙，立即丢下炸弹返航。佐濑机队的九七式重型轰炸机具有转弯灵活和速度上的优势，遍体鳞伤地逃出遭到围攻的空域。河岛机队的意制菲亚特BR-20型轰炸机却很笨重，遭到中国空军和苏联志愿队的沉重打击。这一仗，中国空军击落六架日机，击伤其余的所有日机，对其中一架射中了一百五十三发子弹。
日军轰炸机对兰州市区的毁坏是严重的。日机投下的炸弹命中了兰州的唐代著名佛教丛林普昭寺，藏经楼保存的《大藏经》六千三百五十八卷全被烧毁，寺内的悟明方丈与和尚都被炸死。此外，嘉福寺、东华观和柏通路、道升巷的古建筑，都变成一片废墟。毁损严重的还有市内的贡元巷、新关街、西北新村、南街和东大街。
日军第一飞行团总结这几次轰炸失利的原因，认为轰炸机进入的方向少，容易遭到中国空军战斗机集中攻击，而队形又很零乱，常被各个击破。日军甚至开始检讨兰州空战的必要性。他们认为，日军现有的重型轰炸机，在一般气象条件下编队远航，实施轰炸，没有战斗机的直接掩护，不但很难完成战术或战役任务，而且会受到很大损害。对重要目标的轰炸，如果在白天有利的气象条件下进行，对方就能充分发挥战斗机和高射炮的作用。中国空军在兰州地区占有优势，不仅因为气象条件有利，还因为这里是苏联空军志愿队的中心基地，能够源源不断地补充人力和装备。日军是否有必要动用有限的远程轰炸航空力量，在此刻与中国空军进行得不偿失的消耗战呢？
