空袭开始
希特勒很清楚英国的海军实力，与英国海军对决德军并没有胜算，因此他决定加强对英国本土的空袭来夺取制空权。于是，丘吉尔与希特勒得出了一个不谋而合的结论：英德之战取决于空战、取决于对制空权的争夺。
早在担任空军大臣时，丘吉尔就认识到了空军的重要作用，而且他对英国空军也充满了信心：“我个人在心理上对这场即将到来的实力较量毫不畏惧。”6月4日，丘吉尔还在议会辩论中说：“庞大的法国陆军在几千辆装甲车的冲击下，就一败涂地，溃不成军了。难道文明事业就不能够由几千名飞行员，用他们的本领和忠心来保卫住吗？”
在决战的另一方，希特勒最初对于如何跨海攻打英国疑虑重重。到了7月31日，他终于下定了决心。希特勒告诉海军总司令雷德尔：“我们应该考虑在非洲进行牵制战。但是只有对英国进攻才能获得决定性的结果。因此必然设法为1940年9月15日开始的作战行动进行准备工作……至于这次作战行动是在9月进行，还是推迟到1941年5月进行，将在空军对英国南部进行为期一个星期的密集轰炸之后作出决定。如果空袭的效果很好，敌人的空军、港口和海军等等遭受重创，那么‘海狮计划’将在1940年进行。否则，‘海狮计划’将推迟到1941年5月。”
这就是说，希特勒计划先由德国空军对英国护航舰队和南部港口进行轰炸，并引出英国空军，在战斗中把它消耗光，从而取得多佛尔海峡的制空权，然后再完成渡海登陆。希特勒的如意算盘是用四个星期摧毁英国空军，取得制空权，为德国登陆做好准备。然后，9月中旬德国陆军可以到英伦本土作战，9月底可占领英国南部，10月初就能在伦敦举行胜利大游行了。希特勒拟订这样的计划倒并不完全出于狂妄，因为尽管丘吉尔担任首相后，英国在努力增产飞机上取得很好的成绩，但它当时的空军力量仍不足以抗击德国空军的进犯。德国有1900架轰炸机和1100架战斗机，而英国只有350架轰炸机和700架战斗机，因此无论希特勒还是戈林都认为德国有必胜的把握。
尽管希特勒确定总进攻的日期是在8月中旬，但德国对英国发动的不列颠空战，实际上始于1940年7月10日。从这一天到大约8月18日，是不列颠空战的第一阶段。德国空军在第一阶段的任务是引蛇出洞，把英国飞机吸引到英国南部海岸上空和英吉利海峡上空来进行决战。
就这样，德国空军迅速集结了2669架对英空战的飞机，其中有1015架轰炸机、346架俯冲轰炸机、933架战斗机和375架重型战斗机。8月5日，希特勒发出了加紧对英空战的第17号令：“德国空军应尽快以其所有的力量打败英国空军。攻击的目标，首先是敌航空兵部队及其地面设施和后勤设施，其次是敌航空军军备工业，包括生产高射兵器的工业。
“在获得暂时或局部的空中优势之后，应继续对敌之港口特别是对生活资料储备设施实行空袭。考虑到我方预计要采取的作战行动，对海岸港口应尽可能少地实施空袭。”
“在实施这场规模业已扩大的空中战争时，空军应能随时派出足够强大的兵力支援海上作战，攻击临时出现的有利目标。此外，空军还必须为‘海狮行动’保留有战斗力的部队。”
在英国方面，丘吉尔和总参谋部也在为全国迎击入侵做准备。另外丘吉尔早就决定，一旦德国的侵略行动开始，他就会亲自指挥抵抗。因为他不想重蹈第一次世界大战中“穿便服与穿军装的人”争吵不休的覆辙。
8月初，在英国南部的肯特海角和海峡沿岸上空，激烈的空战开始了。德国空军每天派出1000多架飞机轮番轰炸英国，英国空军的飞机也一批又一批地升空迎战。这时，戈林犯了他在不列颠空战中的第一个错误，他认为英国的战斗机中队都被吸引到南方来了。因此德国空军决定对英国北部的各工业城市进行白天轰炸，代号“鹰计划”。德国人的“突袭”注定要遭受失败，因为英国道丁空军中将对德国空军的突袭早有预见，他已将7个战斗机中队调来这一地区负责警卫。
8月13日，戈林下令实施“鹰计划”，在计划实施几天前，德国空军还猛烈轰炸了英国的雷达站和空军机场。就在这时，戈林犯了第二个重大错误：轻视了对英国雷达站的袭击。他们把轰炸的重点放在了军用飞机场上，在13日和14日两天，德国人大约出动了1500架飞机袭击英国空军的战斗机机场。12日，德国空军曾对英国的雷达站进行了猛烈的袭击，但是五个雷达站虽被击中但却只有一个雷达站被炸毁，其余的完好无损。但是，德国人这时还不了解雷达对英国的防御的重要性，因此没有继续袭击这些雷达站。结果，在后来的空战中，这些不起跟的雷达站使德国空军吃尽了苦头。德国著名战斗机驾驶员阿道夫·加兰后来回忆说，“我们意识到皇家空军战斗机中队一定受到地面某种新装置的控制，因为我们听到指挥喷火式和飓风式飞机同德国机队作战的命令是非常熟练和准确的”，“这种雷达对战斗机的控制使我们感到意外，而且是非常惨痛的意外。”
8月15日，第一阶段空战中规模最大的一次战斗开始了。大约100架轰炸机在40架战斗机的掩护下，德国空军对英国北方地区进行了轰炸；同时以800多架飞机空袭南方作为牵制。在长达500里的战线上，英德空军进行了5次大的战斗。其实，德国空军那天在英国南部比较成功。他们发动了四次大规模的袭击，有一次几乎飞到伦敦。他们还击中了四个飞机工厂，并且炸坏了英国空军五个战斗机机场，使英方蒙受了严重的损失。但是在北方情况就不一样了，有30架德国飞机被击落，其中大部分是有4名飞行员的“亨克尔11l”式重型轰炸机。而英国方面却未损失一架飞机，只有两名飞行员受了伤。胜利的消息传来，丘吉尔高度赞扬了道丁空军中将的远见和指挥才能，把他看做是“通晓战争艺术的一个典范”。有趣的是，英国歼击航空兵司令部司令道丁其实早在1938年，就被告知将于1940年7月退役。后来因故一再延期，直到1940年8月才最后确定退役，但其时不列颠空战已经开始了，道丁已欲退不能。后来道丁将军只好这样自我解嘲：不列颠空战期间“我从来就不知道自己所处的准确地位”。
在这第一阶段的空战中，由于受到英国空军的顽强抵抗，再加上德国空军元帅戈林犯了战术上的错误，德国空军遭到了明显的失败。但希特勒并没有因此放弃制空权的争夺，第二阶段空战随后又开始了。
激战正酣
从8月24日至9月27日，是不列颠空战的第二阶段。德国企图通过摧毁英国空军的地面设施，进而消灭皇家空军，同时通过对伦敦的大规模轰炸迫使英国屈服。这是空战最激烈最紧张的阶段。
由于受恶劣天气的影响，不列颠空战在8月19日到23日休战了5天。而从8月24日开始，德国空军又开始利用数量上的优势，集中轰炸英国南部沿岸机场。戈林已经明确了第二阶段空袭的目的，他说：“我们在对英国的空战中已经进入了决定性的时期。最重要的任务是击败敌人的空军。我们的第一个目标，是摧毁敌人的战斗机。”这一期间，德国空军平均每天出动1000多架飞机对英国狂轰滥炸，他们也确实取得了绝对的优势。英国南部的5个前线战斗机场遭到巨大破坏，英国空军的整个通讯系统几乎被摧毁。8月23日至9月6日，英国被摧毁或受重创的战斗机高达446架，更严重的是，皇家空军飞行员有103人丧生、128人受重伤，几乎占全部飞行员的1／4。这使得丘吉尔十分忧虑，如果这一趋势再持续几周，制空权恐怕就会牢牢地掌握在德国空军手中。
但就在这时，深受希特勒器重的戈林元帅又犯了第三个重大错误：从9月7日起，他放弃了对英国南部海岸机场等军事目标的轰炸，而将重点转向了轰炸伦敦；并由白天空袭改为夜间空袭。为什么戈林要放弃已经获得的战略优势呢？原来，在8月23日，德国空军奉命轰炸伦敦郊外的飞机制造厂和油库时，偏离了军事目标，误炸了伦敦市中心，结果炸毁了一些房屋，还炸死了若干平民。英国空军决定展开报复，他们于8月25、28日两次空袭德国首都柏林，虽然由此造成的人员伤亡和财产损失都不大，但影响却不可小觑。戈林异常愤怒，英国空军的空袭等于是打了他一巴掌。原来，戈林曾向柏林市民保证，德国的领空将得到德国空军的最可靠的保护，任何外国轰炸机都无法飞到柏林。更何况，当英国人来轰炸时，轰炸机不仅丢下了炸弹，还丢下了揭露希特勒法西斯残暴统治的传单，“希特勒发动的这场战争将继续下去，希特勒要打多久就打多久。”英国的炸弹和传单在德国人心中播下怀疑的种子，还引起了普遍幻灭的情绪。这对纳粹统治无疑是很不利的，希特勒也因此愤怒地失去了理智。9月4日，他疯狂叫嚣：“如果英国空军投下2000、3000或4000公斤炸弹，我就会在一夜之间回敬他们1．5万、1．8万、2万、3万、4万公斤或更多的炸弹，如果他们袭击我们的城市，我们就干脆把他们的城市夷为平地！”
希特勒还不忘对老对头丘吉尔大肆谩骂。他说：德国有8500万人，万众一心，难道会怕那个荒谬透顶、滑稽可笑、愚蠢无能的战地记者丘吉尔先生吗？“丘吉尔先生的胡言乱语……对德国人民不起任何作用。这种胡言乱语充其量不过使他们发笑而已。”
有了希特勒的支持，戈林元帅再也控制不住自己的报复欲望了，他完全忘记了“海狮计划”，一心只想着利用轰炸泄愤。9月7日，他命令德国空军，由集中轰炸英国南部机场设施改为集中轰炸伦敦，并且在当晚就派出了625架轰炸机和648架战斗机空袭伦敦。德国飞机向伦敦的兵工厂、煤气厂、发电厂、仓库以及泰晤士河上几英里长的码头，扔了大量炸弹，伦敦顿时成了一片火海。戈林相信，高烈度的轰炸会使英国人民士气涣散、丧失斗志。但实际上这是德国的一个战略性错误，因为德国忽视了英国皇家空军基地和雷达设备，这使得德国本来具有优势的“闪电战”变成了旷日持久的相持战。
就这样，从9月7日到11月3日，德国对伦敦的轰炸持续了57个夜晚，平均每夜约有200架飞机轰炸伦敦。伦敦人民承受了巨大的压力和牺牲，据英国官方后来的统计，在最初两天夜里，伦敦约有842人死亡和2347人受伤，这个古老的城市遭到了巨大的破坏。不过值得庆幸的是，英国空军反而因此得到了宝贵的喘息机会。戈林的作战行动，使为“海狮计划”做准备的德国海军参谋部既困惑又恼火。他们在9月12日的“战斗日志”中写道：“这次空战是作为一种‘绝对空战’进行的，没有考虑到当前海上作战的需要，并且超出了‘海狮’作战计划的范围。就目前进行的空战的方式来看，它无助于主要由海军掌握的‘海狮’作战计划的准备工作。”
9月15日，是不列颠战役的转折点。由于不满足于晚上轰炸，戈林命令德国空军在白天接着轰炸，决心把伦敦夷平。这一天，德国空军集中了最大力量对伦敦进行空袭。200多架轰炸机和600多架战斗机群飞向伦敦。英国战斗机司令部在雷达荧光屏上注视着进攻者的动向，并且作好了战斗准备，随后双方在多佛尔海峡上空展开了激烈交锋。丘吉尔当天在设在阿克斯布里奇的皇家空军第11战斗机司令部里，目睹了空战过程。英国飞行员的英勇顽强给他留下了难以磨灭的印象。当晚他的私人秘书约翰·马丁报告说，这天“一共击落了183架敌机，而损失还不到40架”。后来丘吉尔曾写道：“最突出的是，我们的战斗机驾驶员们始终保持着不屈不挠的最大毅力和勇气。不列颠得救了。所以我在下院这样说：‘在人类战争的领域里，从来没有过这么少的人对这么多的人做过这么大的贡献。’”
从9月7日至10月31日，德国空军损失433架飞机，英国皇家空军则损失242架战斗机。戈林曾吹嘘说，敌人的战斗机“应当在四五天内消灭”，但事实上却是德国空军被打得落花流水。希特勒想摧毁英国皇家空军的打算落了空，多佛尔海峡的制空权仍未掌握，德国国防军也未能踏上英国国土。尽管英国在人员和物资上的损失大于德国，而且德国飞机也还可以继续空袭伦敦，但实际上希特勒已经输掉了这场战役。9月17日，德国海军在作战日志上写下了这样的内容：“敌人的空军仍然一点也没有被打败。它的活动反而增加了。从天气总的情况来看，我们不能指望会有一个平静的时期……因此元首决定无限期地推迟‘海狮’。”
德国空军对伦敦的空袭还造成了预期外的后果。对伦敦乃至英国人民来说，空袭只是场灾难而不是德军所希望的灭顶之灾，但它却给其他国家带来了感情上的巨大冲击。美国置身战局之外的态度开始松动，总统罗斯福对伦敦人民表示了明确的同情，声言将对盟国提供援助，并加强美国自身的武装。罗斯福当时虽然还没有让美国参加欧洲大陆的这场战争，但参战的决心却在不断加强。