La Regia Aeronautica viene a conoscenza della resa solo la sera dell’8 settembre 1943. Nei giorni seguenti, raccogliendo l’appello delle gerarchie militari, affluiscono negli aeroporti di Puglia, Sicilia e Sardegna 203 velivoli (37 caccia, 117 bombardieri, aerosiluranti e da trasporto e 47 idrovolanti) dei quali però solo un centinaio pienamente efficiente. A essi si aggiunge un altro centinaio di aerei dei 260 già negli aeroporti del Meridione: disponibili sono 200 velivoli operativi. L’attività della nuova Aeronautica Militare comincia il 9 settembre, quando 4 M.C. 202 cercano di scortare la flotta a Malta. Tra il 13 e il 25 gli aerei portano soccorso ai soldati che combattono a Cefalonia, Corfù e in Sardegna. A fianco degli Alleati l’Aeronautica entra solo dopo il 13 ottobre, con la dichiarazione di guerra alla Germania e il riconoscimento della cobelligeranza: gli aerei italiani saranno impiegati in azioni offensive, difensive, di rifornimento, aviosbarco e trasporto in favore dei contingenti italiani e alleati nei Balcani e nelle Isole Joniche.
L’impiego di Cant. Z. 1007 e di S.M. 82 per aviotrasporti e di M.C. 205/S per la scorta sarà particolarmente importante per i rifornimenti ai partigiani della Garibaldi e della EPLJ, in Jugoslavia. Fino alla metà di settembre 1944, grazie al lavoro dei tecnici e degli specialisti che, organizzando squadre per il recupero di materiali, riescono a revisionare la quasi totalità dei velivoli, l’Aeronautica è in grado di combattere con i propri mezzi.
In seguito gli Alleati le assegnano i P.39 Aircobra, i Baltimore M.187 americani e gli Spitfire V inglesi, aerei certo non nuovi ma allora ancora efficienti. L’attività nei Balcani continua fino alla fine di febbraio 1945 a favore della Garibaldi, che viene rimpatriata, e fino al 26 aprile con rifornimenti ai partigiani. Ma anche dopo il 29, e almeno fino alla resa tedesca in Italia, Baltimore e caccia sono impegnati nelle offensive nei Balcani.
Dopo l’8 settembre 1943 anche l’Aeronautica istituisce un Fronte Militare Italiano Clandestino Aeronautico (F.M.C.A.) strutturato in 11 bande. La sua attività, soprattutto di controspionaggio e propaganda antifascista nell’Italia Centrale e Settentrionale, si svolge anche con azioni di sabotaggio e guerriglia. Molti pagheranno con la vita alle Fosse Ardeatine.  Finite le ostilità l’Aeronautica conterà tra i caduti 125 Ufficiali, 209 Sottufficiali e 1.317 avieri.