5月15日，日军华北方面军临时航空兵团对兰州展开全方位的轰炸！
事实上这已经不是兰州城第一次遭到日军轰炸了，早在1937年12月份的时候，日本海军的木更津陆上航空队便对兰州城进行了大轰炸。
当时小鬼子出动了11架重轰炸机，从北平的南苑机场起飞，由该航空队的第1大队长菅久少佐率领，直奔兰州。
为了隐蔽意图，其飞行航线避开了西安至兰州的主要交通线，经北路的山西五台、陕北的葭县、宁夏的银川，然后左转通过靖远上空面飞抵兰州。
当时驻于兰州机场的И－15、И－16战斗机起飞迎战，地面的高炮部队亦对空射击，这11架敌机于仓促中，将200公斤类型的炸弹一次全都投下而返航，其中有10多枚炸弹投入了兰州以东的孔星墩机场。
这批敌机返航时经保安、太原，最终全部降落于南苑机场。
之后，日本驻包头的陆空军原田宇一郎大佐之重轰炸机第12战队，也于1938年11月15日用意大利的菲亚特飞机5架，于拂晓起飞，又轰炸了兰州，但遭到中国空军战斗机和高炮部队的攻击。
这次拟轰炸兰州的部队，于5月初，由北平向山西的运城转移，但日军航空部队的调动，已被中国的侦察部门所发觉。
随后国民政府出动了CБ苏式轻轰炸机群，对运城机场停放的日军飞机进行了突然的轰炸！
但这次日军的真正损失并不大，因机场上有不少是日军用木板做的假飞机，这是为了欺骗中国地面侦察人员和空中侦察及轰炸之用。
5月17日，日军华北航空兵团所有战队集中完毕，当日航空兵团便下达了初期攻击目标为兰州机场的作战命令。
国西北地区之黄土高原，地标不很明显，在空中不易辨认。日军为使其部队能事先熟悉这一带的地形，防止迷航，特指定部分领航能力较强的中队长，分乘独立侦察第16、第18中队之飞机，先行熟悉由运城至兰州地区之航线。
为了隐蔽这次轰炸的企图和压制在运城以南以西地区的中国空军基地，日军在轰炸兰州前先轰炸了洛阳和西安、宝鸡西北方向的平凉等地，以混淆轰炸目标。
不过日军轰炸兰州的计划并未成功，因为还未等到他们的机群靠近兰州城，就遭到了中国空军的空中拦截。
连续三次轰炸失利之后，日军航空部队不得不对轰炸兰州的作战进行总结，在总结这几次轰炸失利的原因时认为，除了选择一个轰炸进入方向，易于遭到战斗机集中攻击，队形零乱易遭到被各个击落等战术原因外，尚有这样几个问题值得注意！
第一，以现用的重轰炸机，在一般气象条件下编队远航轰炸，而无战斗机的直接掩护，这无论在战术上或战役上，不仅难以完成任务，且将招致很大的损害。
第二，对重要目标的轰炸，如选择在昼间有利的气象条件下进行，对方就更能发挥其战斗机和高射炮的作用。
第三，兰州地区，中国空中力量的发挥，除了有利的气象条件外，还因该地是苏联志愿空军的中心基地，它有决心且也有源源不断的人力、装备对该地进行保卫。日军以有限的远程轰炸航空兵，在此刻与其进行得不偿失的消耗战，是否有此必要？
根据轰炸部队在兰州连连失利的情况，日军大本营最终决定停止对兰州的轰炸，但对西北的其它各地则照常进行。
而对于日军如此反应，国民政府方面也是颇为惊讶！
在老蒋等人看来，日军这完全是受到了刺激，根本不按常理出牌！
虽说他们在南昌打了小鬼子一个措手不及，但是就战术效果而言却很一般，反攻南昌中国方面非但没有达到攻占南昌城的战略目标，反而损兵折将，死伤无数，怎么看也是一笔赔本的买卖。
然而小鬼子却像是受到了莫大的刺激一般，迅速做出反应，陆上和空军都纷纷出动，完全像是一只炸毛了的野兽一样。