此前，日军派出大批谍报人员前往上海至南京长江沿线各地，侦察中国军队的布防情况。特务原田直三在江阴经过数日秘密侦察，摸清了江阴要塞的布防情况。日军据此制定了详细的计划，决定于22日对中国海军进行突袭。
22日下午，12架敌机分两个编队扑向江阴要塞与电雷学校，轰炸两岸炮台和电雷学校。要塞和军舰上的中国高射炮群等防空火力立即还击，“平海”舰3号高射炮在见习指挥官刘馥指挥下，击中第三架敌机的油箱，日机在空中冒出浓烟，一头扎到山上的丛林中。山下电雷学校高空机枪火网命中敌第一编队第五架飞机，飞机爆炸后化为一团火球坠入学校食堂前方。
此役，中国海军在没有造成重大损失的情况下，击落敌机两架，使日机对中国海军有所忌惮。这也是中国海军在抗战中，以舰艇炮火首次打下日本飞机，极大地鼓舞了海军的士气。
此后一段时间，日军停止了对江阴地区的正面空袭。而中国海军则忙于补给炮弹，希望进行舰舰决战。直到9月中旬，双方都在进行备战。
【海空大决战中国主力战舰沉没】
9月23日，中日双方海军展开决战。日军10余艘军舰向江阴前进，“平海”、“宁海”与“逸仙”迎战。随后，日军派出4个编队共58架飞机对中国舰队进行轮番轰炸，但技术拙劣的日军不但没有一颗炸弹命中目标，反而被中国击落了7架战机。不过，炸弹散片对中国军舰造成了重大损害，“宁海”舰多处受伤，开始进水。最后舰身严重倾斜，船上官兵死伤过半，最终搁浅在长江北岸。
在“宁海”号拼死抗击敌机的同时，旗舰“平海”号也遭到日机的轮番轰炸和扫射，舰体在巨大的震波中被震出江水，又重重地落入江中。此后它在撤退过程中，再次遭到30多架飞机的围追堵截。25日清晨，“平海”舰沉入长江。
“宁海”、“平海”两舰被炸沉后，“逸仙”舰改作旗舰。9月25日上午，日军出动9架飞机对它进行猛烈轰炸。“逸仙”舰用仅剩的99枚空炸榴弹进行还击。令人称奇的是，舰首150毫米主炮还击落了两架敌机。不过该舰已被击中多处，舱内大量进水，后沉没江中。
在敌机空袭中失去大多数主力军舰以后，中国海军部长陈绍宽下令放弃“海圻”、“海容”、“海筹”、“海琛”等年久失修、缺乏防空火力的巡洋舰。9月25日夜，4艘军舰打开海底门，静静地沉入长江。随后，“青天”、“湖鹏”等舰也被炸沉。
尽管中国海军的第一、第二舰队在中日海军大战中几乎悉数被击沉，但中国海军进行的江阴抗战，打击了日军的嚣张气焰，推迟了日军的进攻速度，其惨烈程度也是少有的。亲临要塞观战的德国军官法尔肯豪森说：“这是第一次世界大战以来，我所见到的最激烈的海空战。”
江阴抗战，为江苏、浙江、武汉等地的大量工厂、企业、人员内迁赢得了时间，为中国长期抗战创造了有利条件。
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