朝鲜内战爆发时，其南北双方的军队都以步兵为主。战争初期，人民军从地面向南快速推进，主要靠的就是高昂的战斗意志。但从美军介入战争以后，战场局面发生了显著变化。1950年6月27日起，美军作战飞机飞临朝鲜上空，对朝鲜三八线以南地区的目标狂轰滥炸，甚至动用B-29战略轰炸机执行战术攻击任。与此同时，美国海军第七舰队战斗编队开进台湾海峡，并对朝鲜半岛进行海上监视。
 
当时的中国军队，很快注意到陆军、空军、海军配合的重要性。中国甚至认为，朝鲜战场上最为重要的是制空权及空中与地面配合问题。但是，无论朝鲜还是中国，空军建设都刚起步，还没有形成战斗力。因此，中国在请求苏联提供军事援助时，始终把空军支援作为重要条件提出来。苏联方面承诺在两个月或两个半月后，出动由16个喷气式飞机航空团组成的苏联志愿空军掩护志愿军在朝鲜作战。为避免与美军发生直接对抗，苏联计划只派遣志愿空军在鸭绿江北岸中国境内驻防，帮助中国进行防空，但不越过中国国境。
 
10月19日，志愿军跨过鸭绿江赴朝作战。11月1日，苏联空军开始在鸭绿江地区上空与美国空军交战。随着战争的继续，苏军突破原来的底线，实际参加了朝鲜战场空中作战。从1951年第二季度开始，苏联志愿空军秘密出动至朝鲜境内清川江以北地区上空，担任掩护铁路运输和后方目标的作战任务。为争夺制空权，苏联志愿空军的兵力保持在4~7个航空团之间，直至朝鲜战争结束。苏联志愿空军兵力，相当于1个航空军2~3个航空师。
 
据苏联档案显示，苏联志愿空军在朝鲜战场上共损失飞机335架，飞行员120人。承担抗美援朝航空作战任务的部队，主要是苏联空军航空兵第64军（也称第64歼击军）。在朝鲜战争期间，苏联志愿空军和中国人民志愿军空军共击伤击毁敌机12213架，其中击落5729架，击伤6484架。为志愿军在地面作战和交通运输提供了坚强支撑。
苏联空军64歼击军组建之前，莫斯科军区第5近卫歼击师已于1950年7月秘密来到中国沈阳，并更名为151歼击师，辖28、72、139近卫歼击团（其中139团后来并人28歼击师）。3个团分驻沈阳、鞍山和辽阳机场，1950年10月、11月，第28和第50歼击师也先后来到辽宁。
 
虽然这三个师的兵力部署已经就绪，但在兵力的使用上，苏方仍非常谨慎。给他们规定的任务是负责保卫东北的工业和行政中心，对侵袭我国领空的美国飞机进行拦截，但严令禁止越过中国边界。此限令是为防止飞机被击落，飞行员被俘而暴露苏联直接参战的秘密。另一个任务是利用雅克-11、雅克-17歼击机为中国飞行员做先期培训，而后改装米格-15歼击机。
因为要保守参战的秘密，从满洲里人境后，所有苏联军人，均着中国军服、使用中文标记的“志愿者，俄罗斯人”的身份证件、所用战机也一律喷涂中国空军军徽，还规定在战斗飞行时指挥员和飞行员不准使用俄语。
 
1950年10月，朝鲜战争地面战场形势非常严峻，美军部队已推进到离中国边境60~70千米处，在朝鲜惠山地区的美军已接近中、朝边境。10月25日至11月5日，中朝军队进行反攻。但因缺少空军支援，几十万地面部队和运送大量军需物资的补给线，遭到美国飞机的狂轰乱炸，给中朝军队带来严重损失。
尽管战场严峻的态势急需得到空军的支援，但苏联空军三个师仍没收到来自莫斯科的直接参战命令。为配合地面部队的战役反攻，苏军151师虽然出动参战，但它并非直接支援地面部队的战斗行动，主要任务是在中国境内的战区后方进行战斗巡逻，截击美军的空袭飞机，保卫鸭绿江大桥和安东市（今丹东市），作战空域局限在中国境内，严令不许越过鸭绿江，不许进入黄海的西朝鲜湾空域。
 
随着中朝地面部队的不断向前推进，战线越拉越长，地面部队急需空军的跟进配合。1950年11月1日，在中朝地面部队战斗打响的第7天，苏方终于放弃了苏联空军只在中国境内参战的限制，下达了可以越界直接参战的命令，但仍有不可超越朝鲜新义州空域的限制。此后苏、美空军开始了喷气歼击机面世以来的第一次空中博杀
1950年11月1日，这一天是苏联空军直接参加朝鲜战争的第一天。苏军151师28团、72团各出动几个中队，升空寻找战机。午后12时许，在安东地区上空，28团飞行员奇日中尉击落1架F-51野马歼击机，首开苏联空军参加朝鲜战争的战绩。午后14时许，中尉菲得洛维奇击落1架F-80喷气歼击机。开战第一天151师取得了击落2架敌机，而自己无伤亡的战绩，中尉菲得洛维奇因首开击落敌喷气歼击空战初期，美军尚不知苏联空军参战，也不知苏联空军使用的是比其F-80歼击机性能更优越的米格 -15喷气歼击机，因此美军仍使用二战时立下显赫战功的F-51歼击机（P-51）和 F-80喷气歼击机。这些飞机当然不敌苏联米格-15歼击机，因此在空战初期美国空军屡屡吃亏，先后有多架F-51、F-47、F-80歼击机和B-29轰炸机被击落。
 
苏联空军参战半个月之后，为统领和协调各参战部队的战斗行动，又组建了第64独立歼击航空军，军部设在沈阳，辖151歼击师（辖28、72团）、50歼击师（辖177、29团）以及新组建的第28歼击师（辖139、67团）。此外还辖航空技术保障师、高炮师、探照灯团及其他的战勤保障部队。
此时，该军6个飞行团全部装备米格-15歼击机。苏联空军64独立歼击航空军，从1950年11月组建，到1953年7月结束在朝鲜的战争，在近3年的时间内，先后有15个航空师（10个歼击师、4个高炮师、1个航空技术保障师）在其编成内轮流参加朝鲜战争。轮番参战的空军人数总计为72000人，1952年最多时达到2.6万人。
 
第64歼击航空军最大的战果发生在1951年4月12日，当天美空军出动152架飞机对安东鸭绿江大桥及其附近地区实施大规模轰炸。其中B-29轰炸机72架、护航歼击机80架（F-80、F-84、F-86）。苏联空军第324歼击师在师长阔日杜布的率领下，60架米格歼击机全部投入战斗。在40分钟的空战中，苏、美双方飞行员殊死拼杀，苏军以少胜多，共击落美机14架，其中B-29轰炸机10架、F-80歼击机4架，而自己毫无损失。第324歼击师在天空中书写了大机群作战的范例。第324歼击师扬名朝鲜战场不仅是因为其师长为二次世界大战击落敌机62架的顶级王牌飞行员、3次荣获苏联英雄称号的阔日杜布（后为苏联空军元帅），还因其统率的324歼击师在朝参战期间，共击落美机258架，名列各参战师战绩之首。
 
第64歼击航空军居个人战绩首位的是苏联英雄，击落敌机23架的“王牌”飞行员、324歼击师196团团长佩佩尔亚耶夫上校。他还将一架美军最新型战机F-86喷气式战斗机击伤迫降，成为苏军在朝鲜战场获得的最珍贵的战利品。个人战绩位列第二的是303歼击师17歼击团团长助理尼苏佳金，在66次空战中，取得了击落敌机22架的战绩，被授予“苏联英雄”称号。
第64独立歼击航空军的一项重要任务是引领和协助年轻的中国空军作战。1951年9月20日，在苏联空军帮助改装米格-15歼击机的志愿军空军正式出动作战，第64独立歼击航空军增加了一支共同作战的劲旅。在共同作战的初期，为使中国空军尽快在战斗中锻炼成长，主要的危险的战斗任务由第64独立歼击航空军承担，在F-86歼击机掩护下的大批轰炸机来袭时，他们负责打头阵，中国空军的飞行员负责增援。对付小股敌机，让给中国飞行员来打，他们负责掩护。如中国飞行员遭到敌人的追击，他们负责对追击的敌机进行拦截。在复杂的气象条件，64独立歼击航空军则单独执行任务。
 
对于苏联空军的直接参战，尽管中、苏双方严格保密，但美方还是知晓了苏联空军直接参战的事实。原因很简单，在空中格斗时，双方战机离得很近，美军飞行员清楚的看到了米格飞机座舱内飞行员的欧洲人面孔，此外虽然苏方要求飞行员在战斗中不能讲俄语，但在实际战斗中很难严格遵守，地面指挥员和空中各机组的协同，紧靠汉语和朝鲜语无法满足战场需要，因此飞行员根本不理会这个要求，照样使用俄语来进行通话。但美方的想法同苏方一样，担心把苏联空军直接参战的事实公布于众，导致美、苏对抗，引发世界战争，因此装聋作哑了几十年。在抗美援朝战争中牺牲的64独立歼击航空军的飞行员都在中国大连旅顺苏军烈士陵园得到妥善安葬。
 
2000年2月，在朝鲜战争中击落敌机9架的一级战斗英雄、空军前司令员王海上将在回忆录中写道:“战争初期，中国人民志愿军空军还相当年轻、弱小，空战主要是苏联空军打的。后来的大机群作战，特别是与F-86大机群作战，仍由苏联空军唱主角，中国人民志愿军空军协同其完成作战任务......没有苏联空军的大力支持，中国人民空军就不会发展得那么快，志愿军空军也很难取得如此辉煌的战绩。”王海司令员这一段叙述，准确的概括了苏联空军64独立歼击航空军在朝鲜战争中所起到重要的历史作用。