夜袭汉堡时照明弹映照出一架“兰开斯特”轰炸机的身影
轰炸机强硬派人物阿瑟·哈里斯 1942 年 2 月掌管轰炸机司令部后，大力推动轰炸机部队的建设和“面积轰炸”战术的改进，轰炸机数量迅速增长，并配备了新型导航定位系统，战略轰炸进入转折时刻。从 5 月份开始，哈里斯组织了多次“千机大轰炸”，虽说战果不算显著，但战损率有所下降，也为后续的大规模轰炸积累了经验。不过这一时期德国的防空力量尤其是夜间截击机的作战能力也在稳步提高，不仅飞机上装载了雷达，与地面雷达和探照灯的协同也更为紧密。而英国飞机通常要在晴朗的月夜出动以便确认目标，这就增大了被发现的可能。到下半年英国轰炸机的战损率又上升到 5% 以上，有时甚至超过 10%，这意味着没有哪个机组有希望在获得轮换前完成 30 次作战任务。对此，英国空军一方面分派兵力进行牵制骚扰，一方面加紧完善轰炸引导技术和电子干扰能力，双方的夜间斗法不断升级。
1943 年初根据卡萨布兰卡训令，英国和美国将对德国展开联合轰炸攻势。英国仍坚持对城市的夜间空袭，以打垮德国民众的士气和抵抗意志，接连发动了对鲁尔区、汉堡和柏林的大规模空中突击，并开始使用锡箔金属条干扰雷达，同时派出性能优异的“蚊”式战机对抗截击。德国的对策是强化防空预警网络，改进雷达探测技术和夜间截击能力，包括采用更灵活的“野猪游猎”战术、在轰炸机群上空投放照明弹以及从轰炸机下方用可斜向上射击的机炮发起偷袭等，这些都对英国飞机构成严重的危险。不过在英美空军持续不断的联手打击下，德国的防空力量江河日下。经过一场场残酷的夜空血战，到 1944 年 6 月诺曼底登陆前后，欧洲上空的战略制空权已落入盟军手中，连英国空军都可以在白天组织“千机大轰炸”了。
美国：两线作战 昼夜出击
美国陆军航空队在加入对德轰炸时主张把工业体系列为首要目标，以此摧毁德国的战争潜力。由于装备了先进的“诺顿”轰炸瞄准器，美军认为可以通过精确轰炸达到目的，只是需要在日间晴好天气下进行。尽管英国同行早已用惨痛的经验证明白昼轰炸的危险性，但美军上下对配备有强大火力的轰炸机编队的自卫能力仍抱有充分的信心。
在空袭行动中折翼的一架 B-24 轰炸机
当美国的 B-17“飞行堡垒”和 B-24“解放者”机群刚出现在西欧上空时，每架轰炸机上超过 10 挺重机枪构成的猛烈火网确实给对手出了道难题。然而轰炸机面对拦截时毕竟只是被动的防御者，德国截击机飞行员很快就找到了可乘之机，采取命中率高的迎头攻击战术专打轰炸机防御较弱的正面，或集中攻击编队最外围的轰炸机，并加装大口径机炮和空对空火箭弹提高杀伤效果，冲散轰炸机队形后逐一猎杀。气候条件对深入德国占领区的空袭行动也有不利影响，欧洲晴少阴多的天气限制了可供轰炸的时段和地点，便于德军预测美军机群的出击时间、航线和目标，及时调集兵力实施层层拦截，这使得美军的损失直线上升。如 1943 年 8 月 1 日，177 架 B-24 轰炸普罗耶什蒂油田时被击落 56 架；17 日，376 架 B-17 分头轰炸施魏因富特和雷根斯堡，共被击落84架，在10月份的第二次攻击中又损失 62 架，占出动飞机的 21%。
进行白昼轰炸的 B-17 编队经常遭遇猛烈的防空炮火
摆脱敌机层层拦截回到基地的轰炸机通常已严重受损
一架 B-17 被上方友机投下的炸弹砸掉水平尾翼，成为误伤的牺牲品
被击中后在空中解体的 B-17 凸显空战的残酷性
无情的事实表明，没有可靠的保护轰炸机部队无法承受如此高的战损率。美军通过加强轰炸机头部的自卫火力、出击时实施佯动、变更航线和施放电子干扰等措施，部分降低了损失。但若要坚持白昼作战，增强护航力量才是最根本的办法。为此，美军曾尝试把部分轰炸机改装成可配备 16 至 30 挺机枪的武装护航机，但机动性变得很差，无法进行全程护航。在盟军现有战斗机中，英国的“喷火”和“飓风”只能在英吉利海峡附近作接应，美国的 P-38“闪电”的空战能力又不尽人意。而性能较好的 P-47“雷电”加挂副油箱后可飞抵德国边境，但德国战斗机会在海岸线一带就升空拦截，迫使 P-47 提前丢弃副油箱迎战，护航距离大为缩短。直到 1944 年初航程和性能俱佳的 P-51“野马”大量部署后，美军轰炸机的安全性才有了明显改观。P-51 编队不仅可提供全程护航，还主动诱出敌机加以歼灭，为轰炸机扫清前进的障碍。
轰炸机的“小兄弟”－（从上至下）P-38、P-51 和 P-47 都参与过护航行动
在东方，美国对日本的战略轰炸到 1944 年 6 月才开始。此时，B-29“超级堡垒”轰炸机只能先从印度飞抵中国西南的机场，补充油料弹药后再攻击日本的部分地区。8 月美军攻占太平洋马里亚纳群岛作为基地后，才从更近的距离组织起大编队机群轰炸日本全境。起初，B-29 也是采用白昼高空轰炸方式，但受到强烈气流和云雾的影响，轰炸效果不佳。而日本不仅在本土集中了最好的战斗机和飞行员投入抗击，从硫黄岛起飞的日机还对往返途中的 B-29 进行拦截。由于航程大多在茫茫大海上，飞机迫降或人员跳伞都很难及时获救，几乎每次空袭 B-29 的损失率都超过 5% 的可承受限度，影响了机组人员的士气和效率。到 1945 年 3 月，美军改以夜间低空出击，用燃烧弹火攻日本。当硫黄岛被攻下后，也给轰炸机和护航战斗机提供了中转基地，这些都使得 B-29 的平均战损率降到 2.2%。
日本战斗机（白圈内）对 B-29 轰炸机进行近距离攻击
战略轰炸的教训和发展
二战中的战略轰炸在造成巨大破坏的同时，也让进攻者伤亡惨重。在欧洲战场，英美空军共出动轰炸机 144 万架次，损失两万架，轰炸机的平均寿命只有 160 天。阵亡的空勤人员达 10 万之众，伤亡率在各军兵种中高居前列。除了敌方的高炮和战斗机，造成损失的还有轰炸机自身的事故和误伤。庞大的机群在空中集结时如果能见度不良很容易发生相撞，在激烈的空战中精神紧张的机枪射手不免会击中附近的友机，而一架飞机发生爆炸或失控则有可能殃及编队中的其它成员。