为策应轰炸机作战，今川一策的第五十九战斗机队，主力担任运城机场的防空，其余战机与轰炸机队同时起飞，在轰炸机航线南侧的西安和宝鸡地区，牵制中国的空军机队。
预定轰炸兰州的时间为下午1点。2月12日上午10点半，日军三个轰炸机队的二十九架飞机从运城机场起飞，直扑兰州。由于领航判断失误，先遣的河岛轰炸机队的九架飞机全部向北偏航，将兰州东北约一百千米外的祖厉河，误认为兰州以南的洮河，将靖远县城误认为兰州，便将五十四枚五十公斤级炸弹全部投了下去。
其余二十架轰炸机于下午2点到达兰州上空，展开轰炸。担任空中阻击的中国空军第十七中队直到这时才发现市区内有大量烟尘升起，而日军机群的位置竟比自己更高，于是纷纷提升高度追击日机，但为时已晚，未能创下战绩。全体飞行员觉得脸上无光，憋着一口气，准备下次与日机大战一场。
几天后，日军第一飞行团决定发动该年度对兰州的第二次空袭。作战任务除河岛轰炸机队改为袭击兰州西京城机场外，其他两个机队任务不变。
2月20日12点45分，日军三十架轰炸机先后起飞。下午3点 40分，服部机队的九架轰炸机升到四千米高度，排列成三个品字形，从黄河铁桥上空进入兰州空域，中国空军战斗机总队部总队长毛源初率领第五大队第十七中队的十二架苏制И-15和И-16战斗机拦截攻击。第五大队的岑泽级大队长，首先将日军领队机击落。接着，日军僚机被第十七中队副队长马国廉击中坠毁。陈耀南死死咬住三架日机射击，直到看见日机落地着火为止。