高志航原名高銘久，字子恆。 其父高景文，母李氏，生兄弟六人，姐妹兩人，銘久為長兄。幼年時期在家務農，9歲入學，13歲遠離家鄉，考入奉天（瀋陽）中法中學。
１９２０年在學期間為減輕家庭負擔，投筆從戎，考入東北陸軍軍官教育班學習。求學期間，東北擴建空軍，他立志去法國學空軍。而當局教育長郭松齡將軍說：「你身體太小不能出國，給中國人丟臉。」他生氣的說：「法國人也不是高個子，並且我也學過法文，同時我決定將高銘久名字槍斃了，更名為高志航，決心出國學習航空，以便將來立志殺敵報國。」當時，郭松齡軍長的夫人說：「你有這樣的好學生，一定派他出國留學深造，說不定將來會成為一個英雄人物呢？」在郭松齡夫人的鼓勵下，高志航於１９２４年到法國學習兩年航空，以優異成績，於１９２６年回國。
回國後，高志航被任命為東北航空處少校（陸軍銜）駕駛員，時年 19歲。他正當青年，在技術方面刻苦鍛練，精益求精，在每次演習中均獲獎勵。不幸，在一次演習中，因機械發生故障，降落時，將右腿折斷。在南滿醫院治療後，腿稍有些彎曲，對駕駛飛機有障礙，後有到哈爾濱醫院，作第二次手術，打斷另接。愈後，腿比原來短一分，設法穿後跟鞋，調劑成功，對駕駛飛機毫無影響，而且技術上比以前更有進步。因此百姓均稱：高瘸子飛行員。
九一八事變後，高志航將家屬打發回原籍，隻身一人化裝進山海關。在山東濟南機場，高志航在其同學聶隊長介紹下，繼續南下直赴南京航委會報導。
１９３２年春，高志航到南京報導後，首先分配到杭州筧橋航空學校擔任空軍少尉見習。經過航委會主任黃光銳的第一次檢閱，高志航被提升為空軍中尉分隊長。在任分隊長期間，他自修自練，刻苦學習，夜裡不用打燈起飛無阻，把飛行各種技術，如：倒飛、弧形飛等等，練得精益求精。黃主任在第二次校閱時，認為他的技術是中國飛行員中獨一無二的，晉升他為空軍上尉教官。在航校半年後，又提升為空軍教導總隊少校總隊附，總隊長為毛邦初。
此時，正是蔣介石委員長50大壽，英、德、意各國為推銷飛機，派飛機在南京上空表演作戰技術以獻禮。高總隊附在杭州留守，聞訊後自動進京表演。高志航以各種特殊技術表演。蔣介石觀看後，詢問表演的飛行員是誰？竟有這樣的高超技術。毛邦初說：「是高志航總隊附在表演。」蔣介石立即命令召見。蔣對高說：「你的技術很高，是超技術水平。」 當即把自己的「天窗號」飛機獎給了高志航自用。由此高志航的名字人人皆知。
此後，蔣介石命令他去義大利購買飛機。他到義大利，會見首相墨索里尼。中意雙方協定，兩國飛行員共同表演，高志航的技術在義大利上空施展開來，深受稱讚。義大利軍火商向他出售落後的飛機，用大批的金錢行賄，他拒不受賄。在向墨索里尼辭行時高志航說：「貴國飛機已經太落後了，並且貴國用行賄方式出售飛機，我們中國人決不接受，請原諒。我們將去美國，再見。」當時義大利首相非常欽佩他的行為，即將身上自帶的鋼筆式手槍送給他作為紀念。同時又來電讚美高志航，不辱使命稱號。高志航到美國購回霍克式驅逐機一百架回國。回國後，立即成立5個大隊。高志航任第四大隊中校大隊長，在杭州筧橋開始訓練新的飛行員。
七七瀘溝橋事變後，蔣介石說空軍可以出動1000架飛機作戰。當時航委會秘書長宋美齡說：「出不了那麼多！」蔣介石說：「出500架。」宋美齡說：「只有驅逐機100架左右。」
八一三淞滬抗戰爆發，日木更津航空隊百架轟炸機開始轟炸江、浙兩省。國民政府軍事委員會緊急命令駐河南周家口的國軍空軍第四驅逐機大隊調往杭州，以加強淞滬地區的防空力量。8月14日，第四驅逐機大隊飛往杭州筧橋機場，飛機剛著陸，還未來的及加油，自臺灣新竹基地起飛執行轟炸筧橋機場的日本木更津空軍聯隊的 18架轟炸機就來到了筧橋上空。
高志航緊急下令起飛，他首先攔住敵機廝殺，只見空中無數鐵鷹，有的俯衝、有的仰攻，翻騰旋轉得滿天黑煙圈。他首開第一炮，擊落日領隊機。接著，各中、分隊長在四面出擊。10分鐘戰鬥後，擊落敵機6架，擊傷2架，而國軍飛機無一損失。此6：0的輝煌戰果，轟動了全國。
此後，蔣介石特地把8月14日，定為國軍空軍節。
後來，日軍又調來佐世保航空隊200架飛機（內中驅逐機100架），與我軍展開激烈空戰。數月後，出現了中國空軍四大金剛：高志航、劉粹剛（後犧牲）、李桂丹（高的部下，在高犧牲後繼任第四大隊大隊長，後在武漢保衛戰中與日機互撞時犧牲）、樂以琴將日軍四大天王分別擊落。
第一天王山下七郎大尉被高志航擊傷，迫降於蘇州以東太倉縣，被俘至南京。Ｂ、Ｃ、Ｄ三個天王陣亡於杭州、南京、上海一帶。山下七郎原係杭州航校日籍教官，中國航校學員大多是他的學生，國軍飛行員都以師生之禮相待，因此他非常感動。他說： 「你們可以炸旗艦『出雲號』航空母艦，必須犧牲一人一機，把中國機塗改國徽，我把信號交代與你們，發出信號，航空網即開放，人機必須向煙筒竄進，同歸於盡，才能完成任務。哪一位願去，請舉手！」全體學員都舉起手來，願意前去炸艦。山下七郎看到這一情景，認為中國必勝，日軍必敗。他說：「好吧，你們把證章都交給我，摸到誰，誰去。」樂以琴證章被抽中，毅然決定向「出雲號」航空母艦襲擊。樂發出信號，日艦即張開航空網，樂以琴人機直入尾部煙筒中壯烈犧牲。旗艦『出雲號』受了重傷，狼狽逃竄黃浦江港外。山下七郎還說：「日本飛行員發誓時說：我要作了虧心事，出門就碰上高志航。」可見高志航在日軍中的聲譽。
１９３7年淞滬抗戰後，國軍飛機消耗殆盡，無力再大規模作戰。當時蘇聯為防止日軍佔據中國大陸後會以此為基地進攻蘇聯，因此特地出售驅逐機給中國空軍。
此時，高志航因背部受傷在廬山修養。蔣介石電招他到南京，派他去蘭州接收從蘇聯購買的一百架驅逐機。但是高志航受傷未痊癒，忍傷痛到京，還未見蔣介石，就問部下：「日機來轟炸為何不打？」部下說是因為我機速度與日機相差三分之一，加之敵多我少，很難作戰。高志航即說：「可下令少加油，少帶彈，不必要的機件拆掉，飛行員輕裝上陣，減少重量，發揮特效，必能戰勝。」
於是，多日未發生空戰的南京突然發生激戰。高志航率領四架飛機，打得日機落花流水，敵兩架狼狽逃竄，高志航跟蹤追擊，時值黃昏，高志航到了鎮江機場，忍著傷口疼痛，給機場信號，在不用燈的情況下在機場成功著陸。蔣介石和國民政府林森主席問今日何人作戰，打敗了日軍？這時，得到報告，是高志航，但高現已失蹤。最後得知降落鎮江，當即派專車到鎮江迎接，洽商接收蘇機事宜。
高志航以空軍上校第四大隊長的身份，到蘭州機場與蘇聯空軍少將專使以俄語談話。專使說：「你留學蘇聯否？」高說：「沒有到過貴國，我們中國的將領都會說幾國的語言。」蘇聯專使說：「我不會說中國話，十分抱歉，請原諒。」又說：「你們飛行員對蘇聯飛機駕駛，因腿短比較困難，飛機速度快，操縱靈，總失事，訓練一個多月無進展，還需時間訓練方能作戰。」高說：「我國急需與日機作戰，三日內就要訓練好，以回南方應戰。我可以試一試你們的飛機性能。」對方說：「可以，但是蘇機頭重，要特別注意操縱。」高說：「知道了。」他飛上天空，在空中倒飛三分鐘，又作了各種特技，回到機場，蘇少將握他雙手，稱他是天神，是現代英雄。
在起飛前，高志航向部下劉蔭桓說：「你率領地勤人員先飛回漢口司令部，和王參謀、於機務長把司令部整理一下，告訴司令部全體人員，蘇聯飛機比美國飛機快三分之一，與日機作戰，日必敗，我必勝，不久就要回老家了，讓他們放心，為國家干好工作吧！」 1937年11月21日，高志航率飛機到達周家口時，當地氣候惡劣，有關方面通報有敵機一隊，向漢口方面轟炸，敵機沿平漢路向駐馬店方向前進。但萬萬沒想到敵機是佯做迂迴前來偷襲周家口。
高志航見日機突然扑來，立即下令全體隊員緊急上機作戰。高志航跑步上機剛進入機倉，敵機就進入了機場上空，第一個炸彈，就落在主機上，高志航、機械長、機械師等六人壯烈殉國。
高志航犧牲的噩耗傳到航委會時，各方震驚，大為痛惜。國民政府軍委會在漢口商務會大禮堂為高志航 等舉行了追悼會，追悼會由蔣介石親自主持。蔣介石並親自獻花圈致哀，高志航英雄殉國，死之偉大，生之有威，永垂千古。
高志航時年31歲，英雄靈柩後在湖北宜昌下陵。不久，國民政府追授高志航為空軍少將驅逐司令。
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