9月15日下午，德空军大举出动，对已被炸得残破不堪的伦敦城实行大规模的空袭。但德机还没进入伦敦上空，数百架英战斗机就迎面扑来。英战斗机不顾德国战斗机的拦截，露出了少有的凶狠，对德轰炸机进行围攻，使这些轰炸机在失去保护的情况下，被英战斗机一架一架地击落，只有少数仓皇逃窜。当德国轰炸机逃去后，英战斗机又扑向德国战斗机。德国战斗机怕受到围攻，急忙掉头往回飞去，但英战斗机紧咬不放，在追击途中又击落了多架德战斗机。就在英国战斗机与德国空军死拼的同时，英国还出动了所有的轰炸机，对德国集结在海峡对岸的舰艇和地面部队、港口和码头实施了猛烈轰炸。
当空战正在激烈进行的时候，丘吉尔首相来到指挥空战的帕克将军司令部。他一言不发地走进地下室，两眼紧紧盯着随时都在变化的作战形势图。这场殊死的战斗对大英帝国来说生死攸关。
“还有多少预备力量？”这位一直沉默不言的前海军大臣焦躁不安地问。
“没有了，所有的力量已经全用上了。”帕克将军回答。
交战双方都竭尽全力，去赢得此次空战的胜利。
这是一场改变战争格局的大空战，也是一场决定前途命运的殊死搏斗。
德军终于狼狈逃窜了！在这个具有特殊意义的日子之后，德国空军再也不敢与英国空军进行大规模的拼杀了，它再也损失不起了。仅此一天，德军就被击落飞机185架。丘吉尔激动地说：这一天是世界空战史上前所未有的、最为激烈的一天。后来，英国把9月15日定为“不列颠空战节”，以表达对胜利的庆贺。
9月17日，希特勒见英国空军仍未被击败，而且比过去还显得更为活跃，同时天气的情况也已经不可靠，于是决定把“海狮作战”无限期地延迟下去。这场二战史上历时最长，规模最大的空战到此结束，英军以915架飞机的代价击毁了1733架德机。此战的结果是促使希特勒在没有把不列颠完全逐出战争之前，即先回头来对付前苏联，德国重走两线作战的老路。
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“梅塞希米特”—109加挂炸弹，进行偷袭。一开始果然奏效，加挂炸弹的“梅塞希米特”—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“梅塞希米特”—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月份，德军继续对伦敦进行恐怖空袭，企图以巨大的物质损失和死亡来迫使英国屈服。但在猛烈空袭下，伦敦市民依然照常工作、生活和娱乐，并保持着英国人的乐观和幽默，有位裁缝轰炸期间在店门上贴着“营业照常”的纸条，而当他的小店被炸毁后，他在废墟上挂出了“营业更加照常”的纸条！
10月12日，希特勒决定将“海狮计划”推迟到1941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1941年夏入侵前苏联，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，扔下炸弹掉头就逃。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月的关键阶段中，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433架，英军则损失242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。
但骄狂的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，不列颠战役进入了最后时刻，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，另一方面还可掩护其为进攻前苏联而进行的准备。
在这其中，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的空袭。尤其悲壮的是英军通过破译德军的最高机密——埃尼格玛密码机，事先已经确切掌握了德军的空袭计划，但是为了不让德军察觉这一“超级秘密”，英国战时内阁决定一切照常，既不增加考文垂的防空力量，也不提前发出警报疏散平民！当晚，德军共出动449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394吨爆破弹和56吨燃烧弹落在考文垂市中心，德军还投下了127枚延时炸弹，以破坏英国人的救援行动，考文垂有5万多幢建筑被炸毁，死554人，重伤864人，12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。
1940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，500架次以上的规模屈指可数。因为主要采取夜间空袭的战术，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。
随着6月22日德军进攻前苏联的开始，德国空军主力转往前苏联战场，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。
英国空军挽救了英国！1940年9月20日，英国首相丘吉尔在演讲中以后来被广泛引用的名句来赞誉：“在人类战争历史上，从来没有这么多人从这么少的人那里得到这么多！”毫无疑问，“这么少的人”当然是指英国空军飞行员、地勤和指挥通信人员，当时英国空军的全部作战人员，从飞行员、地勤到指挥通信，仅区区3000人！“这么多的人”不但是指英国人民，而且还包括所有不愿忍受纳粹暴政的人民。
在1940年7月至10月不列颠之战的最关键阶段中，德军出动飞机共约4．6万架次，投弹约6万吨，被击落各型飞机1733架，被击伤943架，损失空勤人员约6000人。
英国空军损失飞机915架，飞行员414人，英德双方飞机损失比0.527：1，飞行员损失比0.069：1。
在空袭中英国被炸毁的房屋超过100万幢，无辜平民死伤达14．7万，占英国在战争中死伤人数的20％。
至1941年5月，德军在对英国空袭作战中，损失的飞机更是超过2000架。英军损失飞机共995架。
不列颠战役在一定程度上改变了欧洲战场的格局，使德国军队再也不敢轻易地在不属于自己的领空之上横冲直撞了！
战役点评
不列颠战役是德军在第二次世界大战中首次失败的战役，未达到征服英国的预期目的。英国则成为日后欧洲抵抗运动和盟国反攻欧洲大陆的基地。因此，德国进攻前苏联后，始终处于两线作战的境地。德军失利的主要原因是：“海狮”计划本身不成熟，战略指导失误，战役中一再改变企图等。此役证明，战争初期的防空作战对战争的进程和结局具有重要影响；在现代条件下实施任何重大战役，首先要夺取制空权；航空兵是争夺制空权的主力，但只有在其他军种协同下才能取得胜利。
战略上，英国早就预见到了英国生死存亡的关键取决于制空权的争夺，所以从1940年5月就开始有计划有目的地采取一切措施来加强防空，在指挥体制、防空兵力部署等方面作好充分的准备。而纳粹德国始终抱有诱使英国媾和的幻想，在外交和政治上展开了诱降活动，军事上的准备明显不足。而且德军统帅部一直都没有一个比较成熟完善的进攻方案，“海狮计划”也是仓促而就，缺乏必要的研究分析。即使在空袭开始后，希特勒也一直梦想通过空袭来迫使英国屈服，并未进行认真周密的登陆作战准备。更为严重的错误是德国在7月16日下达“海狮计划”指令，7月31日却又决定进攻前苏联，战略上如此三心二意，怎能不败？
武器装备上，德国空军装备的轰炸机绝大部分是俯冲轰炸机和轻、中型轰炸机，而载弹量大、航程远的战略重型轰炸机数量极少，根本无法承担起战略轰炸的重任。英军虽然飞机数量少，但性能优良，而且与雷达、高炮和拦阻气球组成了完整的防空体系，又是本土作战，几乎没有航程限制，大大抵消了数量上的劣势。尤其是英军建立了完善的雷达预警系统，可以有效发现来袭敌机的数量和方向等基本情况，避免了战斗机不必要的空中巡逻警戒，使战斗机起飞就是迎战，节约了大量人力、物力。
战术上，德国空军最大的失误就是在8月底，重点攻击英国空军基地和飞机制造厂，使英军损失惨重，精疲力竭，即将崩溃之时，却出于报复柏林遭受空袭的狭隘意识，转而空袭伦敦，致使英国空军获得了宝贵的喘息之机，迅速恢复战斗力，从而使德空军与不列颠之战的胜利失之交臂！英军在防空作战中，采取了统一指挥，集中使用，全面防御，突出重点的方针，以战斗机为主，结合使用高射炮、探照灯和拦阻气球，并且成纵深梯次配置。并及时改变战术，以5至7个中队组成大编队作战，空战中多采用尾随攻击、分割攻击、分进合击等战法，取得了胜利。
地理上，英国空军是本土作战，飞行员熟悉气候、地形，士气又高，即使战机被击落，只要飞行员平安落地，还能回到部队继续参战。而德军飞机只要被击落，飞行员即便能够跳伞逃生，还是逃脱不了成为战俘的命运，就是所谓的人机俱失。
不列颠战役是人类战争史上首次空战战争，证明了战略性的大规模空袭将直接影响战争的进程，显示出制空权在现代化战争中的重要地位，并证明了防空的战略意义。
由于不列颠战役的胜利，英国得以保存下来，而英国的坚持抗战，把德军拖入了致命的长期持久战，而且成为日后英、美反攻欧洲大陆的跳板，使德军陷入了两面作战的困境。
可以设想，如果不列颠之战中德军获胜，那很快就会实施登陆，只要德国陆军登上英伦三岛，英国就将彻底失败，以后即使美国参战，要想横渡大西洋收复欧洲大陆，简直是梦呓！接下去德军再全力进攻前苏联，整个二战的历史就将全部改写。因此，不列颠之战绝对是战争的转折，随着德军飞机的纷纷坠地，就已经埋下了日后纳粹德国失败的伏笔！