בניגוד לתפיסה זו עמדו ראשי חיל האוויר על כך שעצמאותו של החיל חייבת להישמר, וכי על החיל להיות כפוף ישירות לרמטכ"ל. לתפיסתם, לחיל האוויר יש משימות ייחודיות, הדורשות שהחיל יהיה עצמאי ברוב התחומים שהוזכרו לעיל, הן בתחומים מבצעיים ומודיעיניים והן בתחומים ארגוניים ולוגיסטיים. ראשי החיל דרשו שמפקדם יהיה טייס, ואף הצביעו על אהרן רמז, ששירת כטייס קרב בחיל האוויר המלכותי הבריטי במלחמת העולם השנייה בזירת מערב אירופה. ואולם, רמז היה פלייט סרג'נט בלבד (באנגלית: Flight Sergeant, סמל טיס, דרגה המקבילה בערך לדרגת רב-סמל מתקדם בצה"ל), וכך לא נשמעה דעתו מול הפיקוד הבכיר של צה"ל.
המחלוקת יצרה קשיים עמוקים בתפקוד חיל האוויר, שהגיעו לשיאם לאחר קרבות עשרת הימים, באמצע יולי 1948. הפיקוד העליון האשים את חיל האוויר בכישלונות מבצעיים ובחוסר יעילות. אהרן רמז האשים בתגובה את הפיקוד העליון בכך שאינו מאפשר לחיל האוויר את התנאים הדרושים להצלחתו. בעצת מתנדבים מדרום אפריקה פנה דוד בן-גוריון לססיל מרגו, יהודי תושב דרום אפריקה שהיה קולונל בחיל האוויר הדרום-אפריקאי ומפקד כנף במהלך מלחמת העולם השנייה, וביקש ממנו להגיע לארץ ולסייע בארגון חיל האוויר.
מרגו הגיע לארץ ב-12 ביולי, ולאחר כמה שבועות הגיש לבן-גוריון את המלצותיו. הוא קבע שהיעד העיקרי של חיל האוויר צריך להיות השמדת כוחו האווירי של האויב, ולקראת יעד זה צריך חיל האוויר להתארגן - מבצעית, ארגונית ומקצועית. חיל האוויר, על פי המלצותיו של מרגו, צריך להיות כפוף ישירות לרמטכ"ל, ולהיות בעל עצמאות ארגונית ומבצעית. מרגו הציע דרכים לארגון פנימי של עבודת החיל ולממשק של החיל עם המטכ"ל, ודרש שהשינוי יתרחש בתוך זמן קצר. המלצותיו של מרגו הביאו להתנגדות רבה. אחד הנושאים שעליהם התנהל ויכוח חריף במיוחד היה השליטה במערך המכ"ם בצה"ל. באותה תקופה לא היו כלל מכשירים כאלה בישראל, אך מרגו עמד על כך שהכרחי לרכשם, ושמערך המכ"ם יהיה בשליטת חיל האוויר.
בן-גוריון אימץ מיד את המלצותיו של מרגו. אחת ההמלצות החשובות של מרגו הייתה שחיל האוויר יהיה בפיקוד אנשי צוות אוויר ישראליים, ולא מתנדבים יהודים או לא יהודים שיחזרו בכל עת לארצותיהם. המלצה זו הייתה מקובלת גם על מתנגדיו, ובן-גוריון אימץ גם אותן. בן-גוריון הציע למרגו עצמו לעמוד בראש החיל, אך הוא סירב. שלושה ימים לאחר הגשת ההמלצות מונה אהרן רמז לתפקיד מפקד החיל.
המלצותיו של מרגו היו דומות בעיקרן להמלצות שהגיש אהרן רמז זמן רב לפני כן. ואולם, רמז היה, כאמור, סמל בלבד, שהסתמך על תאוריה; מרגו, לעומתו, היה קצין בדרגת קולונל שפיקד על יחידה גדולה בצבא מאורגן, והכיר מבפנים את ההתנהלות המעשית של חיל אוויר גדול. משום כך הייתה לו סמכות רבה, ובן-גוריון יכול היה לאמץ את המלצותיו ולגבות אותו מול המתנגדים להן. המבנה שהציע מרגו היווה את הבסיס לארגון חיל האוויר ולפעילותו, למעשה עד היום.
מבצע קדש.
מבצע קדש נפתח באוקטובר 1956 כשרביעיית מטוסי מוסטנג נשלחה לנתק את קווי הטלפון מערבית למיתלה, על מנת למנוע דיווח על מהלכי הכוחות הישראליים.
גדוד הצנחנים בפיקוד רפאל איתן (רפול) הוצנח ליד מצבת פארקר במעבר המיתלה בסיני ("מבצע מכבש"). את ההצנחה ביצעה טייסת מטוסי דקוטה שהמריאה מבסיס תל נוף. אחת מטייסי המשנה הייתה הטייסת יעל רום.
בנוסף להצנחת הצנחנים השתתף ח"א בפעולות תקיפה קרקעיות ובחיפוי על כוחות הקרקע. מטוסי הקרב העיקריים היו: מיסטר, אוראגן, מטאור ו-P-51 מוסטנג. מלחמה זו הייתה הפעם הראשונה בצה"ל שבו נעשה שימוש מבצעי בכסא מפלט. הטייס שנטש את מטוס המיסטר שלו היה בני פלד, לאחר שנפגע מאש נ"מ ליד ראס נצרני.
זוג מטוסי אוראגן השתתפו בתקיפת המשחתת המצרית איברהים אל אוול שניסתה להפגיז את חיפה, נכנעה וצורפה לחיל הים כמשחתת "חיפה".
בשל העובדה שבמבצע סיני לא היו לח"א מסוקים בשימוש מבצעי, ביצעו מטוסי הפייפר את רוב משימות התובלה הקלה, ובכללן שינוע מפקדים וחילוץ פצועים. מטוסי הפייפר השתמשו בכבישים כמסלולי טיסה, כדי להתקרב לכוחות הלוחמים, שהיו רחוקים ממסלולי טיסה מוסדרים.
במהלך הקרבות איבד החיל 15 מטוסים, רובם מאש נ"מ, ו-5 טייסים נהרגו. בקרבות אוויר הפילו טייסי החיל 7 מטוסים מצריים - 4 מטוסי ומפייר ו-3 מטוסי מיג 15.
מלחמת ששת הימים.
מלחמת ששת הימים נפתחה ב-5 ביוני 1967 בשעה 7:45 בבוקר במהלומה אווירית מקיפה, לאחר ימי ההמתנה מורטי העצבים בעקבות חסימת נתיבי השיט במצרי טיראן למעבר ספינות מישראל, עליה החליט גמאל עבד אל נאצר, נשיא מצרים.
לרשות חיל האוויר הישראלי עמדו 203 מטוסי קרב מהם 197 שמישים, מתוכם 65 מטוסי מיראז' 3, 35 מטוסי סופר מיסטר, 33 מטוסי מיסטר, 19 מטוסי ווטור ו-51 מטוסי אוראגן. בשעות הראשונות של המלחמה תקף חיל האוויר הישראלי בסיסים צבאיים ושדות תעופה במדינות אויב ב"מבצע מוקד". המתקפה הישראלית ניחתה בהפתעה מוחלטת ולמעשה הכריעה את המלחמה מראשיתה, בהשמידה את עיקר חילות האוויר של צבאות ערב על הקרקע. חיל האוויר הישראלי הנחית מכה אווירית, בו זמנית כמעט, על כל שדות התעופה המצריים. שדות התעופה הותקפו פעמים אחדות באותו יום וחיל האוויר המצרי שותק כמעט לגמרי למשך שארית המלחמה. מיד לאחר המכה הראשונה, הותקפו גם שדות התעופה שממזרח למדינה והונחתה מכה על שדות התעופה של חיל האוויר הסורי, חיל האוויר הלבנוני וחיל האוויר הירדני והופצץ גם שדה התעופה העיראקי המערבי ביותר. בניגוד למתקפה היבשתית שכוונה תחילה רק נגד החזית המצרית, ההתקפה האווירית כוונה להשגת עליונות אווירית למשך כל ימי הלחימה. כ-350 מטוסים הושמדו ביום הראשון למלחמה מתוך כ-600 המטוסים שהיו למדינות הערביות הלוחמות. עד סוף המלחמה הושמדו 451 כלי טיס של חילות האוויר הערביים, לעומת 45 מטוסים שאבדו לחיל האוויר הישראלי. במלחמה נהרגו 25 טייסים ישראלים ו-7 נוספים נשבו. בתום הלחימה נותרו בחיל 139 מטוסים שמישים.
המתקפה המקדימה המוצלחת איפשרה לחיל האוויר הישראלי להגיש סיוע התקפי נמרץ לכוחות היבשה הישראליים, בצורה הולכת וגוברת במשך כל ימי הלחימה. הותקפו מהאוויר כוחות שריון וארטילריה של צבאות ערב, והחישו במידה רבה את שבירת צבאות ערב. התקפות על העורף הישראלי מהאוויר במהלך המלחמה היו מעטות.
מלחמת ההתשה.
במלחמת ההתשה פעל חיל האוויר בתקיפה של מטרות קרקע ובקרבות אוויר. תקיפות של מטרות אזרחיות בעומק מצרים היו בין הגורמים שהביאו לסיומה של המלחמה. חיל האוויר היה גורם עיקרי במלחמה זו, שבה סבלו כוחות היבשה מנחיתות ניכרת. החיל ביצע 12,850 גיחות במהלך המלחמה, שבהן הוטלו יותר מ-50,000 פצצות. חיל האוויר המצרי איבד 92 ממטוסיו, ולחיל האוויר הישראלי אבדו 15 מטוסים.
פעולות בולטות של חיל האוויר במלחמה זו:
מלחמת יום הכיפורים.
מלחמת יום הכיפורים הייתה הקשה במלחמותיו של חיל האוויר, והוא ספג בה אבדות ניכרות במטוסים ובטייסים, בעיקר עקב פגיעות של טילי קרקע-אוויר (טק"א). "הטיל כופף את כנף המטוס", אמר על כך עזר ויצמן, מפקדו לשעבר של חיל האוויר. בקרבות אוויר ככלל הפגין החיל עליונות על פני חילות האוויר הערביים.
חיל האוויר הישראלי היה מקור החשש העיקרי בצבאות הערביים לפני המלחמה, והם ריכזו מאמצים רבים הן בהיבט ההצטיידות והן בהיבט התכנון על מנת לנטרל את ההשלכות הנובעות מעליונותו על פני חילות האוויר שלהם. עליונות זו הייתה אחת הסיבות לקונספציה שהטעתה את מקבלי ההחלטות בצד הישראלי לפני פרוץ המלחמה.
ביומה השני של המלחמה ביצע חיל האוויר את השלב הראשון של "מבצע תגר" והתקיף ב-40 גיחות 7 שדות תעופה במצרים, אך הפסיק את המבצע בשלב שבו היו אמורים להיות מושמדים טילי הנ"מ וסוללות התותחים. המבצע הופסק בהוראת שר הביטחון משה דיין שביקש להפעיל את "מבצע דוגמן-5" לתקיפה של כוחות הנ"מ הסוריים. מבצע זה נעשה ללא הכנה מדוקדקת וללא מודיעין, ותוצאותיו היו נפילת שישה מטוסי פנטום ומבלי שסוללות הטילים הסוריות נפגעו כמעט.
בד בבד עסק חיל האוויר באינטנסיביות במתן סיוע לכוחות הקרקע, שניהלו קרבות בלימה מרים בימיה הראשונים של המלחמה. הסיוע האווירי מנע מצבא סוריה לכבוש את דרום רמת הגולן, וסייע בבלימת התקדמותו של הצבא המצרי מזרחה ב-14 באוקטובר. פעילות זו צמצמה את פעילות החיל בתקיפת חילות האוויר ומערכי הטילים של האויב. רק עם השיפור במצבם של כוחות היבשה, ובפרט לאחר פגיעה של כוחות שריון בסוללות הטק"א, החל חיל האוויר בתקיפות של שדות תעופה בעומק מצרים ומטרות תשתית ושדות תעופה בעומק סוריה, כשהבולטת שבהן היא תקיפת המטכ"ל הסורי ביומה הרביעי של המלחמה.
על פי ד"ר שמואל גורדון "חיל האוויר תרם תרומה מכרעת לבלימת הכוחות הסוריים והמצריים, הגן באופן מוחלט על כוחות צה"ל בדרכם לחזית ועל האוכלוסייה האזרחית, תקף שדות תעופה ונטרל את חילות האוויר של מצרים ושל סוריה...במשימה החשובה ביותר עבור חיל האוויר - השמדת הטק"א - הוא לא הצליח ב-7 באוקטובר מכיוון שלא ניתן לו להילחם בהתאם לדוקטרינה שלו. אולם רק חיל האוויר היה יכול להציל את המדינה מסכנה לאומית קיומית מיידית באותו יום".
מטוסי הקרב שהפעיל חיל האוויר במלחמה היו מיראז' 3 "שחק", תע"א נשר (הגרסה הישראלית למיראז' 5), A-4 סקייהוק "עיט" ו-F-4 פנטום "קורנס".
במהלך כל ימי הלחימה איבד חיל האוויר הישראלי 102 מטוסים. חיל האוויר המצרי איבד 235 מטוסים, וחיל האוויר הסורי איבד 135 מטוסים.
מלחמת לבנון.