兰州军区空军担负西北地区防空作战任务，兰州军区空军机关及部分部队先后执行了配合地面部队剿匪、核武器试验等任务。1952年12月到1953年7月，西北军区空军组织运输机部队执行空投任务，支援陆军部队在甘肃南部剿匪作战。1956年5月，组织试航西藏当雄机场成功，开辟了北京—西宁—拉萨航线。1959年，兰州军区空军奉命统一领导和指挥空军参战部队，配合中国人民解放军地面部队在西藏平叛。1962年8月至1963年1月，在对印边境自卫反击作战中，兰州军区空军部队完成了空运空投等任务。1963年起，多次组织部队参加核试验，完成了空投核弹、烟云取样、爆心剂量侦测、空中摄影及其他保障任务。1965年5月14日，空军第三十六师李源一机组驾机首次空投原子弹爆炸成功。1967年6月17日，空军第三十六师徐克江机组驾机首次空投氢弹试验成功。兰州军区空军部队还先后参加过首都国庆阅兵，新型飞机试飞、导弹试射试验以及抢险救灾、国土航测等任务，参加过80多项地方重点工程建设，参加了军民共建千里铁路文明线，以及飞播造林、人工增雨。