早在1936年年底，国民党政府军事委员会参谋本部制定的1937年度《国防作战计划》就向空军要求，“准备全部轰炸机袭击敌之佐世保、横须贺及其空军根据地，并破坏东京、大阪等大城市”。可是自从退守武汉后，不仅中国的空军基地离日本越来越远，而且能担此大任的飞行员也都牺牲得差不多了。
这不是说去就能去的事。开战后，，中国空军在与日本的血战中伤亡惨重，其中能够飞抵日本本土的萨伏亚S-72和马丁-139WC等两种远程轰炸机几乎损失殆尽。无奈之下，国民党政府将目光瞄向了海外。1937年9月，中国军事代表团赴苏联洽谈军事援华问题时，收到蒋介石密令：务必购买可以用于轰炸日本的重型远程轰炸机。中方代表团第一次提出购买100架重型轰炸机，后又提出购买50架， “若协定款项不够，则可减少其他兵器之购置，并可付现金”。可苏方一直避而不谈、一再推延，最后此事不了了之。至于苏方为何不卖超重轰炸机给中国，原因可能有二：一是超重轰炸机乃当时尖端武器，是国防机密，苏联不愿提供;二是此前蒋介石与苏联不睦，苏联怕蒋事后将这些轰炸机用于反苏。
到了10月，苏联对华军事援助协议中的6架TB-3重型轰炸机按计划飞抵兰州。11月30日，其中的5架飞机由兰州经汉口飞南昌进行对日轰炸前的临战训练。不幸的是，日方早就得到南昌有中国重型轰炸机的情报。12月13日，日机空袭南昌机场，当场炸毁2架，炸伤3架。后来，由于数量有限且备件缺乏，TB-3在中国战场只作为运输机使用，再也没有担当任何战略轰炸任务。
苏联轰炸机是靠不上了，只能靠自己了。可所剩的几架马丁-139WC轰炸机、伏尔梯V-11轻轰炸机和诺斯洛普G2E轻轰炸机都在“国际飞行中队”手上。让他们去?外籍飞行员摇头，说执行这项任务风险太大，并提出了要10万美金的天价酬金。蒋介石一听立马拒绝，倒不是凑不出那么多钱，主要是丢不起那人。听说这事，刺激了蒋介石身边的一个人，他站出，大声说：“我去!”
他就是编在委员长侍从室的专机飞行员徐焕升上尉，自告奋勇地提出由他负责重新组建远征轰炸队的具体事宜。徐焕升受领任务后，立即通知在汉口待命的预先选拔好的第十四中队人员立即飞抵成都报到。1938年3月，中国空军重新制定了《空军对敌国内地袭击计划》，选定日本佐世保军港和八幡市为轰炸目标。为了保证任务的顺利完成，航委会又从飞行第八大队第十九中队调来以佟彦博副队长为首的数名优秀飞行员，与先前到达成都的飞行员会合，成立特别轰炸中队。
特别轰炸中队在徐焕升的率领下，对当时中国空军现有的各种轰炸机进行了深入细致的考察，最后选定只能是马丁-139WC轰炸机。可这些飞机在外国飞行员手里，怎么办?陈纳德就让徐焕升出马，与他们接触。对方只知道徐焕升是给蒋介石开专机的，而这位长江口崇明岛出生，江苏医学院肄业，后人黄埔军校第四期、中央航空学校的“天子御驾”，平时又总是一袭长袍，文质彬彬，让人觉得他就不是一个军人。所以他很快取得了这些老外的信任，拿到了马丁-139WC轰炸机的资料。
而后，中国空军拉了一次空袭警报，并通知老外飞行员们迅速离开飞机。等他们一离开，徐焕升马上让地勤人员把飞机的油料全部卸除。第二天，等老外们返回时发现，自己被禁止接近飞机，徐焕升宣布：马丁-139WC轰炸机即日起全部由第十四中队接管。老外们才如梦初醒，有恼的、有怒的、有狂呼的、有要大闹一番的。徐焕升明白他一个人吵不过这么多人，只是看着他们，然后一转身走了。
回去后，他给老外们写了一封公开信：我所做的一切，都是奉命而行。作为我本人，其实对你们相当敬佩，感谢你们曾帮助我国抗战。关于今天的事，我希望你们不要轻易掏枪动粗，否则只会违背你们善良的美德。你们必须心平气和下来，因为你们在这里的任务已经结束了。老外们读完这封情真意切又义正词严的信，知道他们没有要价的资本了也只得作罢。这件很难摆平的事就这么搞定了。
特别轰炸中队在成都凤凰山基地开始了临战训练，并对马丁机的性能进行摸索和适应。在训练过程中，徐焕升发现：马丁-139WC虽然性能良好，威力巨大，但最大航程还是飞不到日本的中部。计划返航途中在宁波基地加油，极可能遭到日本人的追击。而且，仅靠眼下这两架飞机投掷炸弹难以取得震慑效果。于是，特别轰炸中队请示航委会，修改原定计划，以两架轰炸机携带传单空袭日本，宣扬我国抗战意志，警告日本当局，并且为了缩短航程，将目标改为九州岛的长崎、福冈和北九州岛。把弹舱改造成油箱，加大油量就可以保证续航时间。国民党政府同意了他们的建议。
徐焕升所以敢接这个“活儿”，是因为他早在德国留学时就接受过长途飞行训练，他明白这种长途飞行最重要的是要保持无线电通信，于是，他专门集中一批电子技术人员，设计出一套地空连锁电台网。经过两个月的准备，终于在梅雨季节里等来了一个风清的月夜。1938年5月19日15时23分，由1403号机组(徐焕升正驾驶、苏光华副驾驶、刘荣光领航、吴积冲通信员)和1404号机组(佟彦博正驾驶、蒋绍禹副驾驶、雷天春领航、陈光斗通信员)，还有安锡九、陈衣凡驾中国空军仅剩的最后1架He-111A轰炸机1902号担任后勤支援运输。3架战机从汉口王家墩机场起飞，两个小时后降落在宁波栎社机场，补充燃油。23时48分，其中两架战机出发去日本执行任务。
携带有100万份传单的机队自宁波出海后先转向南，然后向日本九州岛飞行。5月20日凌晨2时25分，飞机到达日本九州岛上空，飞行员查证航图，推定底下的城市就是长崎，于是飞机开始降低高度。机组的通信员陈光斗和吴积冲立刻将各自尾舱内装满传单的麻袋搬出，当飞机高度降至3500米时，一份份传单像白色的炸弹一样从舱板下的方形射击孔投出，纷纷扬扬地飘向日本的领土。而后，双机编队以长崎为起点，向北做大圆弧飞行，于凌晨3时45分到达福冈上空，在撒下传单的同时投下了照明弹。4时32分，编队飞越北九州岛上空，将剩余传单全部投放。之后，飞机掉头向西南沿原路返回。5时23分，双机飞到公海。日本人毫无防备，徐焕升遇到的最大险情，来自一包宣传单。机组人员在搬运的过程中，有一包滚到了驾驶舱里，正好卡在驾驶杆与舱板之间，马丁轰炸机一个劲往下冲，几近失控。徐焕升冷静地迅速移开麻包，重又控制了飞机。
8时40分，1404号机经宁波在江西玉山机场降落。9时24分，1403号机经临海在南昌着陆。9时30分，所有机队人员接到通知前往汉口会合。11时 30分，两架马丁-139WC轰炸机在空中编队后，降落在汉口王家墩机场。机场上欢迎的群众人山人海，国民党政府行政院院长孔祥熙、军政部部长何应钦等也到机场迎接。5月22日，周恩来、陈绍禹(王明)、吴玉章、罗炳辉等代表中共中央和八路军办事处亲自到国民党空军司令部，对凯旋的飞行员进行慰问，并赠送锦旗一面，上面写着八个大字：“德威并用，智勇双全。”周恩来还发表了讲话，赞扬他们的成绩和英勇行为，并与徐焕升和佟彦博合影留念。中国空军“轰炸”日本本土极大地鼓舞了全国人民的士气。全国各大媒体纷纷对此进行报道。著名的《抗战》三日刊在5月23日第74期上刊出了邹韬奋的《空军远征日本与新的抗战力量》文章，该刊著名评论家余仲华在同期的“战局动向”栏目中也指出：传单给日本一个警告，百万张传单可以变成百万吨炸弹!《大公报》也于5月21日在头版刊出《空军夜袭日本》的社论。
英国《新闻记事报》社论称：“中国空军日前飞往日本散发传单，唤醒日本人民推翻军阀，此事意义重大，亦饶有趣味。”苏联《莫斯科新闻》也不吝赞美之词：“中国空军在抗战中占重要地位，在未来无疑将充当更为重要的角色。”其他世界主流媒体也认为，中国空军夜袭日本本土，彻底打破了“大日本神圣领空不可入袭”的妄言，狠狠地灭了日本帝国主义的嚣张气焰，极大地鼓舞了世界人民的反法西斯斗争。中国飞行员的良好形象也得到了充分展示，尤其是指挥官徐焕升获得了外国同行的“世界一流飞行员”的美誉。6年后，美国《生活》杂志刊登世界著名的12位飞行员的照片，徐焕升位列其中。照片上标明：“徐焕升是先于美军杜立德将军轰炸日本本土的第一人。”