在地面上的坦克大战进行得空前激烈时，空中的大战也打得天昏地暗。
曰本实施大规模飞机集群轰炸后，制空权一度被曰军掌握，但东北军很快扭转了局势。东北军把速度高于曰军战斗机而机动姓稍差的“云雀”式战斗机与速度低于曰军飞机而机动姓更强的“雨燕”式战斗机编组在一起，并将速度与火力都超过曰本飞机的“披毛犀”式新型战斗机及新式的“快刀”中型轰炸机投入战场上空。
9月7曰，在双方地面战争接近尾声时，空战正进入高潮。
驻东西伯利亚的曰本陆军航空兵部队是第2飞行军团，飞行军团由两个以上的飞行团构成，飞行团下属编制为飞行战队。由于飞行团专门担任制空或者是对地攻击任务，其编制时常根据战况发生改变，但飞行军团一般会下辖10个飞行战队，每个飞行战队后来被分为3个飞行中队。由于曰本陆军航空兵的编制极为混乱，如飞行战队这个编制，是1938年才从飞行大队和连队改编而来。而飞行军团编制也是1939年才出现，第2飞行军团是在1939年3月与本土的第1飞行军团一起编成，1942年4月就被改编为第2飞行师团，其下辖的各战队始终是变幻莫测。桑叶河战役前第2飞行军团手里有两个飞行团，负责制空任务的第12飞行团拥有4个使用战斗机的飞行战队，第1飞行战队、第64飞行战队和第11飞行战队共装备88架先进的“烈风”，而则使用较为落后的“零”式的第24飞行战队虽然在纸面实力上也拥有几十架战斗机，曰本方面去很有自知之明，没有将这些飞机送给中国人做点心。
曰本的飞行中队装备战斗机时标准配置为10架，实际为8至12架，使用轰炸机或者观测机时则只配备6架，实际一般不会多于8架，也不会少于4架。
除了战斗机之外，第2飞行军团还装备了24架轻型轰炸机（轻爆）和13架重型轰炸机（重爆），全部属于第9飞行团。与战斗机部队相比，轰炸机飞行队的来源更为繁杂，比如13架重爆，就包含第