8月22日和23日，刘粹刚率队保护攻击机去轰炸日军在上海的阵地和军舰。23日，他带领着4架霍克III护航机跟着一堆攻击机去轰炸上海东部浏河的日军登陆点。任务中，他发现了5架来自龙骧号的5架A4N九五式舰战正和3PG大队17PS中队的波音281扭打成一团。刘粹刚驾驶着2401号霍克III迎面朝一架日机俯冲下去，然后脱离。之后又发现了一架A4N，于是接近到后方490英尺处开火。根据他所述，这架九五式舰战被打成重伤，像一片落叶一样掉下去，成为了他的一个战果。然而，根据日方所述，2架A4N分别中弹30发和23发，均安全返回航母。
接下来的数个星期，刘粹刚主要执行对地攻击任务，就像本章之前提到的，由于消耗过多，4PG和5PG大队不得不合并成一支大队。飞行员的数量比飞机多，飞行员也是随机出战。9月19日，当日本海航首次对南京发动空袭时，刘粹刚正好在值班。双方都遭受了惨重的损失，但中国方面的补给却跟不上来。
这也意味着中国空军在第二天只能派出11架战斗机升空，这天，刘粹刚率领9架霍克III升空，3PG大队17PS中队的胡佐龙(Hu Tsuo-lung)率领2架波音281跟在后面，他们得到的命令是避免与日本战斗机发生纠缠，这些霍克III有氧气罐，因此可以在20000英尺高度巡航，而敞开式座舱的波音281则呆在15000英尺高度上。
在中央航校里，刘粹刚准备登上一架霍克II战斗机，他在航校里展现出了高超的飞行技术和射击技巧。确实，完成训练后，他被要求去撰写一份空战技术手册。这份手册里包括了攻击带后座机枪手的双座飞机时的战术剖面，他建议从后下方接近，这里是后座机枪手的盲区。
日本海航的飞机分成2支编队，其中一支包括了12架D1A1和4架A5M，另一支编队有15架D1A1和D1A2、11架B3Y、2架A5M和13架E8N。2架波音281把日本战斗机拖在后面，使得霍克III可以对日本轰炸机展开攻击。刘粹刚驾驶着2202号机和僚机袁葆康(Yuan Bao-kang)、驾驶2109号机的信寿巽(Hisn Shou-yi)攻击了其中一支轰炸机编队，击伤了一架九四式舰爆。剩下的日本轰炸机试图把中国战斗机包围起来，这时，2架九五式水上侦察机加入了战斗，刘粹刚和袁葆康声称各打下一架E8N，日方承认自己损失了一架E8N。
第二天，日本海航又派出了3支大型舰攻和舰爆编队，由A5M战斗机和E8N水上侦察机掩护。刘粹刚与17PS中队长黄泮扬率领10架霍克III升空，他的僚机驾驶着2架仅剩的波音281也紧急起飞了。再一次，还是由波音281缠住护航战斗机，让霍克III去攻击轰炸机。刘粹刚把僚机岑泽鎏(Chen Tse-liu)留在20000英尺高度上掩护，他和袁葆康一起冲下去攻击15000英尺高度上的俯冲轰炸机。岑泽鎏最后不得不独自对抗一群九六式舰战，他的霍克III发动机被多次命中后停车，之后在长江河畔迫降，过程中脸部受伤，刘粹刚和袁葆康声称各击落1架日机，但是第13航空队方面只记载到损失了一架九六式舰爆。
5天后，刘粹刚带着6架霍克III，各挂载2枚110磅和6枚40磅炸弹去攻击娄田(Lo-tien)的日军坦克。他们到目标区上空盘旋，没有发现这些坦克，却遇到了2架日本战斗机。六人匆忙向日军阵地扔下炸弹，转向迎击。接下来，刘粹刚声称击落了一架日机，并带领所有6架霍克III安全返回南京。
10月6日，日本海航再度轰炸了南京，刘粹刚率领四处收集来的10架霍克III、1架波音281和1架新修好的菲亚特CR.32去拦截日机。守备部队很晚才收到第二波攻击的警报，这意味着中国飞行员要拼命爬升去追赶日机。爬升过程中，刘粹刚和他的僚机遭到了A5M护航机的攻击，僚机董庆祥(Tung Ching-hisang)重创了一架日本轰炸机，但是被2架A5M的围攻，他的霍克III 2109号机被击伤，迫使他俯冲脱离战斗。
刘粹刚驾驶着霍克III 2407号机回来帮忙，但是太晚了，可他还是成功地绕到第二架A5M身后。刘粹刚迅速拉近与敌机之间的距离，一串子弹命中目标后，这架日机坠入尾旋。接着，另一架A5M发动了攻击，迫使他螺旋爬升。这架日机多次朝他开火，可是由于刘粹刚的盘旋过载很大，因此无法拉出足够的提前量。最后，他螺旋向下俯冲，也许是那名日本飞行员以为他被击落了，所以没有跟上去。
在返回南京的途中，刘粹刚看见一架霍克III单机正在被一架九六式舰战攻击，但是距离太远，他什么也做不了。这名中国飞行员没有及时发现后方的日机，被击落的时候没有做出任何规避机动。后来证实这是刘粹刚的僚机飞行员马金钟(Ma Chin-chung)驾驶的2204号机，他刚从航校毕业没多久就阵亡了。
刘粹刚获得了一个战果，但是日方记录显示一架被重创的A5M挣扎着飞回上海，而之前日本人以为这架飞机被击落了。
10月12日，刘粹刚是选择驾驶改装霍克III参与空战的4名飞行员之一，因为高志航下令把飞机上多余的东西都拆掉，以提高飞机的性能。在早上的空战中，他参与了击落2架神威号上E8N侦察机的战斗。
当天下午14:30，刘粹刚率领5架霍克III、2架波音281和1架CR.32再度投入战斗。爬升到16000英尺高度上，战斗机群盘旋了20分钟，然后发现9架G3M轰炸机在6架A5M战斗机的保护下出现于12000英尺高度上。2架波音281缠住日本护航机，而刘粹刚驾驶霍克III 2407号机试着去咬住一架轰炸机。可他遭到了2架A5M的攻击，不得不脱离。经过了3次尝试，他抓住了攻击轰炸机的机会。
正当快要把轰炸机套入射程范围之际，刘粹刚发现一架A5M正从他后方接近，所以他不得不放弃攻击，转而面对身后的敌机。两人迎面飞去，日本飞行员首先开火，他的座机被击中，进入了尾旋，但他及时改出，把飞机拉起来，再次迎击。在刘粹刚开火前，这架日机就已经冲到他身后了。但他的对手借助俯冲获得的速度来爬升，占据了有利的位置。之后，这架A5M继续保持着优势，而刘粹刚只能通过大过载转向来躲避对手的攻击。他最后驾驶着他的霍克III朝南京中华门俯冲下去，那架A5M跟在后。接着，刘粹刚把飞机拉起来做出一系列的盘旋机动，那架九六式舰战在第三个盘旋过后冲过了头，他开火了，这架A5M坠落于南京街头，众多市民目睹了这架日机的坠毁(一名卧病在床的21岁女子被砸死)，这个战绩也显著地提高了当地的士气。
10月26日，刘粹刚受命带着4架霍克III北上增援山西(Shansi)省太原(Taiyuan)时，中途到汉口(Hankow)和洛阳(Loyang)加油。在前往太原的最后一程途中，天气开始变坏，大雨使得能见度骤降。遭到了地面火力的攻击后，他们才意识到自己已经飞过了太原，来到日军阵地的上空。他们被迫调头返回洛阳，四名飞行员在黑暗中走散了，其中一人安全返回洛阳，而刘粹刚的油料消耗得很快，他带着剩下的2人寻找地方降落。几分钟后，其中一人因为油料耗尽而跳伞。接下来为了帮助僚机找出一块地方，他打出了一发照明弹。降下去查看地面的火光时，刘粹刚错误地判断了高度，这名老练的飞行员撞上了魁星(Kui Hsing)阁。
1937年10月26日撞上高平县的魁星阁后，刘粹刚的霍克III残骸。他当时带着一支霍克III编队前往太原去替换28PS中队，后者在为期一个月的激烈战斗中损失了大量的飞机。刘粹刚的编队于大雨中迷航，无法找到太原的具体位置。调头返回洛阳时，编队在黑暗中走散了，他扔下照明弹，帮助僚机在野地里迫降。为了能保住昂贵的飞机，刘粹刚降到低空去查看一座小镇里的火光。那是高平县县长点燃的火柱，希望迷航的飞机能够发现它。糟糕的是，县长忽略了当地唯一的一座高层建筑，结果刘粹刚驾驶他的霍克III撞上了这座宝塔而身亡。
高平(Kao Ping)县的县长听说有中国飞机在黑暗中迷航，所以就在地面上点燃了火把来帮助他们导航，却没有意识到县城内唯一的高层建筑----魁星阁带来的危险。
刘粹刚在牺牲前被授予了7星星序，但作战记录显示他有11个战果得到了确认，因此，很多资料都显示他才是中国空军战绩最高的王牌。