9月7日下午，戈林亲自指挥空军，动用3000架轰炸机和6000架战斗机，对伦敦进行第一次系统的轰炸。德军飞机所到之处，狼烟四起，伦敦人民的生命和财产受到巨大的损失。德军轰炸机的种类主要有亨克尔111式、容克88式和都尔尼17式。
这一改变完全是因为一个偶然事件，8月24日12架迷航的德军轰炸机飞临伦敦，在市中心投下了炸弹。8月25日根据丘吉尔首相的指示，英国空军出动81架轰炸机空袭柏林，作为报复。尽管空袭造成的物质损失微乎其微，但在心理上极大地震撼了德国！8月28日夜和8月31日夜英军又两次空袭柏林，使柏林市民也真切体会到了战争。希特勒被激怒了，叫嚣要彻底毁灭伦敦！9月3日，戈林召开了参谋长会议，决定从9月7日起攻击重点转为伦敦。9月4日，希特勒在演讲中声称将以夜袭来回报夜袭，英国人投下一千千克炸弹，德国空军将要以十倍、百倍甚至千倍的炸弹去回报！实际上，德军对伦敦的空袭8月底就已经开始。9月6日晚，德军出动680架轰炸机首次有计划地轰炸伦敦。
9月7日，德军对伦敦的大规模空袭终于开始，黄昏时分，戈林和凯塞林站在加莱海岸的山上，目视着第2航空队6250架轰炸机和6408架战斗机飞越海峡，飞向伦敦。英军没料到德军会空袭伦敦，起飞拦截的战斗机扑了空，德机向伦敦投下了3000吨炸弹和燃烧弹。入夜后，又有2500架德机来袭，伦敦没有夜航战斗机，夜间防空只能依靠高射炮和探照灯，空袭从晚上八时一直持续到清晨，伦敦有1300多处起火，很多街区成为一片火海，连英国国王居住的白金汉宫也被炸。在当晚的恐怖空袭中，伦敦市民死3000余人，伤15000余人。次日天亮后，阳光都无法穿透伦敦上空浓厚的黑烟！戈林兴高采烈地告诉妻子：“伦敦烧起来了！”德军对伦敦实施的大规模空袭，企图以摧毁城区的残暴轰炸，使英国屈服。然而，英国人民在如此惨重的损失下，没有屈服，相反更激起了对纳粹暴政的仇恨和战斗的决心！
从9月7日起，一连七天，德军对伦敦不分白天黑夜实施了大规模空袭，使伦敦蒙受了巨大的人员财产损失。但这损失并没有白费！英国空军得到了至为宝贵的喘息之机，迅速恢复战斗力。此外，英国空军指挥序列也有了变动，战斗机司令部司令道丁和第11大队大队长派克主张以中队为单位的小编队逐次投入战斗，而第12大队大队长马洛里则主张以3至7个中队组成大编队迎战，实战中由于第11大队经常以小编队作战，多次空战出现了德军战斗机竟然是英军的二三十倍这样的众寡悬殊，使英军损失较大。经过一段时间的实战检验，英国空军肯定了大编队作战，以空军副参谋长斯坦莫尔上将接替道丁，第12大队大队长马洛里接替派克，分别担任战斗机司令部司令和第11大队大队长。
9月15日经过八天的调整和补充，英国空军先后出动了19个中队3000余架战斗机，迎战前往伦敦的德军2000架轰炸机和6000架战斗机组成的大机群，激烈的空战持续了整整一天，在英军英勇抗击下，很多德机漫无目的投下炸弹，匆匆返航。全天有56架德机被击落，其中34架轰炸机，另有12架在返航和着陆途中伤重坠毁，还有800架飞机是带着满身的弹痕着陆，英军在空战中损失20架“飓风”和6架“喷火”，还有7架伤重报废。这天是不列颠空战的转折点，德国空军终于意识到，并没有掌握英国南部的制空权，并不能够在白天进行为所欲为的空袭，英国空军不但没有被消灭，而且还很强大！
丘吉尔首相亲临第11大队的指挥中心督战，他将这天称为世界空战史上前所未有的、最为激烈的一天！战后，英国就将9月15日定为不列颠空战日，以纪念这一辉煌胜利！9月16日和17日，英国空军挟胜利余威出动轰炸机对德军集结在沿海的用于登陆的船只和部队进行了猛烈攻击，击沉击伤近百艘船只，并给德军造成了重大的人员和物资损失，迫使希特勒于9月18日下令停止在沿海集结船只。9月16日至19日，由于天气不佳，德军仅进行小规模空袭，战果很小。
为减少飞机损失，戈林下令从10月1日起对伦敦的空袭从白天改为夜间，并鉴于英军战斗机注重攻击轰炸机，忽视战斗机的特点，白天由梅塞施米特-109加挂炸弹，进行偷袭。一开始果然奏效，加挂炸弹的梅塞施米特-109毫无阻拦，顺利到达目标上空，轰炸连连得手。英军随即吸取教训，对德军任何飞机都进行拦截，由于梅塞施米特-109加挂炸弹后，非常笨重，不堪一击，损失极大，德军只好终止这一战术。
10月12日，希特勒决定将“海狮计划”推迟到1937年春，实际上放弃了在英国登陆的计划，所谓推迟仅仅是遮人耳目的幌子，因为德军统帅部早就决定1937年夏入侵苏联，自然不可能再进攻英国了。10月25日，意大利空军也派出飞机加入对英国的空袭，但意军飞行员一见到英军凶猛准确的高射炮炮火就吓坏了，仍下炸弹掉头就逃。直到11月10日，英军首次击落了意军飞机，才知道意大利也参加了空战。
在9月7日至10月的第三阶段中，德国企图通过对伦敦的恐怖空袭来迫使英国屈服的计划被彻底挫败，德军在此期间损失飞机4330架，英军则损失2420架。实际上这一阶段的空战已经宣告了德国在此次空中战役的失败。
德军并不甘心这样的失败，仍继续对伦敦并扩大到考文垂、伯明翰、利物浦、南安普敦等城市实施夜间空袭，不列颠战役进入了第四个阶段，在这一阶段中，德军空袭的目的不再是消灭英国空军，而是对英国工业城市进行空袭削弱英国的军事工业，并制造进攻英国的假象，一方面可以牵制英军的大量海陆空军于本土，另一方面还可掩护为进攻苏联而进行的准备。
在这一阶段中，最典型的战斗就是11月14日夜间代号为“月光奏鸣曲”的对英国航空工业基地考文垂空袭。
当晚，德军共出动4490架亨克尔-111轰炸机，由于德军使用了代号为“X-蜡膏”的无线电导航技术，轰炸非常准确，有3940吨爆破弹和56吨燃烧弹落在考文垂市中心，德军还投下了1270枚延时炸弹，以破坏英国人的救援行动，考文垂有50万多幢建筑被炸毁，死554人，重伤8640人，120家生产飞机零部件的工厂遭到严重破坏，致使英国飞机减产20%，考文垂市区的水、电供应中断35天才恢复，损失相当惨重。
英军起飞了120架次夜航战斗机进行拦截，高射炮部队发射10.2万余发炮弹，却只击落击伤德机各1架。从单纯军事角度而言，此次空袭是非常成功的，并且由于其具备了战略轰炸的典型特点，被很多军事家誉为战略轰炸的“雏形”，在军事史上具有非常深远的影响和意义。
伦敦的防空力量很薄弱，英国空军的主力部队远在南部，保卫城市上空的只有高射炮部队和悬浮在空中的阻塞气球。而对如此可怜的防守力量，难怪德国飞机如入无人之境、丧心病狂地进行轰炸了。
英军在发现德军使用无线电导航技术以提高夜间轰炸精度后，迅速采取了针对性的措施，建立了一批专用电台，对德军的无线电导航信号有意进行错误转发或强力干扰，通过这些早期的电子对抗，使德军无线电导航的轰炸精度下降了80%，诱使德军将大量炸弹投到了无人地带。
1936年底，由于英军战斗机、高射炮等部队的英勇抗击，德军损失越来越大，为减少飞机损失，德军空袭逐渐由白昼转为夜间，而且规模和强度也逐渐减小，5000架次以上的规模屈指可数。因为主要采取夜间面积的战术，除了破坏城市建筑，屠杀平民，制造恐怖气氛外，军事上的作用很小。入冬以后，英伦三岛恶劣的天气也使德军空袭的规模日益下降。
5月10日晚，是德国空军主力撤往苏联战场之前对伦敦进行的最后一次大规模空袭，德军发动此次空袭，无非是在放弃进攻英国之前，发泄一下失败的怨气。当晚德军出动5000余架次，对伦敦进行狂轰滥炸，所有参战飞行员都得到指示，可以将炸弹仍在任何地方，7000吨爆破弹和燃烧弹落在伦敦市区，燃起的大火照亮了大半个夜空，伦敦平民有14360人被炸死，18000余人重伤。随着6月22日德军进攻苏联的开始，德国空军主力转往苏联战场，对英国的战略空袭也终于停止。人类战争史上最惊心动魄的大空战——不列颠之战终告结束。