ビンドラーンワーレーが逮捕拘留中に起きた事件はその全てがビンドラーンワーレーに関連したものかはともかく、シク教徒とヒンドゥー教徒の殺傷事件、列車転覆未遂事件、警察副長官事務所爆破事件、ハイジャックなど多大な犠牲者を出す大惨事となった。釈放後のビンドラーンワーレーはインド政府を軽視しシクの教義を守るために武力に訴える事は当然有り得ると公言。ヒンドゥー教徒を威嚇してパンジャーブ州外のシク教徒に安全なのはパンジャーブ州だけであると訴え、各地に散ったシク教徒を帰郷させる政策をとった。他にも、資金不足に陥ると銀行を襲い資金を確保する強硬手段もとるようになり、政府も新にビンドラーンワーレー逮捕の意思を固めるに至った。それを知るとビンドラーンワーレーは治外法権的な聖地黄金寺院構内のアカリ・タクトに逃げ込んだ。
1953年（昭和28年）、防衛庁入庁、航空幕僚監部装備部長として、航空自衛隊に入隊する。自衛隊人事を作っていた初代航空幕僚長・上村健太郎が佐薙毅を副長に依頼するとき、佐薙が「源田をとるなら」という条件を出したため要請された。戦前源田が対米強硬派の艦隊派であったことを理由に旧海軍の権力者が反対し人事をやり直すように指示すると上村は「佐薙も源田も必要だ。駄目なら私も辞退する」と言って人事を通した。空自で副官を務めた金子正生空将は、「源田を唯我独尊の人で好かれるタイプではなかったかもしれない、最も近くで見ていたが、戦時のイメージを大切にしていたようで人前で酒を飲まず、私生活を見せない人で最後まで何者かわからなかった、しかし自分にとっては大きな存在であったという」。座間高明によれば「源田は空自でも地上にいるような人ではなく現場に入ってくる実行派の人であったという」。装備部長としては日本初の国産ジェット機T-1の開発を後押しした。1955年（昭和30年）、航空自衛隊航空団司令。1956年（昭和31年）、臨時航空訓練部長、空将。源田は隊員に対し「一日も早く米軍ジェット機の操縦をものにしろ」と命じ、率先してジェット機の操縦資格を取得した。航空自衛隊パイロットの育成に力を注ぎ、空自発祥の地である浜松第一航空団を「源田航空団」と呼ぶ声もあった。1957年（昭和32年）8月1日、源田は航空集団初代司令に就任する。飛行機が高い事故損耗率を記録していたため自ら安全検閲のため各基地を巡回した。1958年（昭和33年）、航空総隊司令。1959年昭和34年）6月1日、飛行教育集団（後の航空教育集団）を編成する。1959年（昭和34年）7月18日、航空幕僚長就任。12月、米空軍サンダーバーズの日本公演を見た源田は航空自衛隊によるブルーインパルスの構想を打ち出す。源田はブルーインパルスの育ての親となる稲田淳美をバックアップし、当時疑問視された編隊飛行訓練を公的に訓練可能とし事故も名誉ある扱いに処置し、選定された者のみ行うよう規制もした。東京オリンピックで陸海自衛隊には協力分野があるが空自にはなかったため、源田は空に五輪を描くことを発案する。当時の技術的な事情から困難でパイロットからも不可能だと思われていた。源田は実現のためブルーインパルスの演技に政治家やJOC、財界人など関係者を招待した。当時事情を知らなかった隊員は冷ややかだったが、後に源田のおかげで五輪フライトが実現できたことを知ったという。源田は自衛官退職時に引き継ぎ事項へ五輪を描くことを入れた。国会議員時代に源田は東京オリンピック開催準備委員長・津島壽一に五輪フライトを提案し実現した。第2代航空幕僚長・佐薙毅のときに起こったFX機種選定問題は、1958年（昭和33年）4月5日の国防会議でグラマンに内定するが、当時資料研究だけで他国のような実験がなく根拠に乏しかったため政治問題へ発展し、6月15日にグラマンの内定が取り消される。第3代航空幕僚長に就任した源田は「個人的にはロッキードを選ぶ」と発言するも、「乗ってみなければわからない」として、1959年（昭和34年）8月、FX機種選定の為、官民合同の調査団の調査団長として渡米しカリフォルニア州モハーヴェ砂漠エドワーズ空軍基地で二ヵ月半にわたる調査が行われ源田自身も試験飛行を行った。55歳でマッハ2の戦闘機を乗りこなすのはアメリカでも例がなく称賛の的になっていた。帰国後、提出された報告書に基づいて政府が再選定した結果、F-104C、F-104Gを日本向けに改装した型を採用する事が決定し、11月6日国防会議によってロッキードF-104J（180機）・複座型DJ（20機）が選定された。源田は、世界でミサイル万能主義が台頭しアメリカからも機銃は必要ないと説明されたが、戦闘機の至近距離での攻撃や運動性の高さによる回避運動などを考慮してF-104には機銃装備を施した。後にベトナム戦争の戦訓を得て世界も機銃の必要性に気付いた。次期戦闘機調査団団長として渡米した源田は階級章の慣習の違いで、幕僚長章を左胸に着けるのみで、3つ星の源田は4つ星だが対等の米空軍参謀総長（大将）より格下の「中将」の待遇を受けたため抗議したが認められず、現地で源田は星章を一つ増やして4つ星の階級章を付けた。この行動を規定違反として問題視する声が上がったが、帰国後自衛隊の服装規則そのものが改正され、源田の行動は事後承諾されて1962年（昭和37年）8月17日発行の防衛庁訓令第51条「自衛官の階級章の略章に関する訓令」により統合幕僚会議議長と陸海空各幕僚長は4つ星（又は金帯に線3本）の大将相当の階級章を付けるようになった。同年、航空自衛隊の創設、日米安保への貢献で、ジョン・F・ケネディアメリカ大統領よりレジオン・オブ・メリット勲章(勲功章)を授与される。また日本飛行連盟名誉会長を務めていた源田は、赤十字飛行隊の創設に携わり、翌年11月3日に初代隊長に就任。1986年（昭和61年）3月末まで務める。赤十字飛行隊は日本赤十字社本社直轄の特殊奉仕団として様々な災害において活躍している。