虽然英军在之前的战斗中占据优势，但实际对皇家空军的损耗依旧巨大。同时德国空军也面临着刻不容缓的问题，其在不列颠的战斗极大地消耗了德军的后勤供给，因此德国高层被迫将战略目标从攻击军事目标压倒皇家空军转为攻击城区并削弱英国国力，入侵英国的海狮计划被无限期搁置。德军改变了战术，对伦敦实施大规模空袭，不列颠之战也就进入了第三阶段。
8月4日1架迷航的德军轰炸机飞临伦敦，在市中心投下了炸弹。8月5日根据丘吉尔首相的指示，英国空军出动81架轰炸机空袭柏林，作为报复。尽管空袭造成的物质损失微乎其微，但在心理上极大地震撼了德国！8月8日夜和8月1日夜英军又两次空袭柏林，使柏林市民也真切体会到了战争。希特勒被激怒了，叫嚣要彻底毁灭伦敦！9月日，戈林召开了参谋长会议，决定从9月7日起攻击重转为伦敦。9月4日，希特勒在演讲中声称将以夜袭来回报夜袭，英国人投下一千千克炸弹，德国空军将要以十倍、百倍甚至千倍的炸弹去回报。[4]
实际上，德军对伦敦的空袭8月底就已经开始。9月6日晚，德军出动68架轰炸机首次有计划地轰炸伦敦。
9月7日，德军对伦敦的大规模空袭终于开始，黄昏时分，戈林和凯塞林站在加莱海岸的山上，目视着第航空队65架轰炸机和648架战斗机飞越海峡，飞向伦敦。英军没料到德军会空袭伦敦，起飞拦截的战斗机扑了空，德机向伦敦投下了00吨炸弹和燃烧弹。入夜后，又有50架德机来袭，伦敦没有夜航战斗机，夜间防空只能依靠高射炮和探照灯，空袭从晚上八时一直持续到清晨，伦敦有100多处起火，很多街区成为一片火海，连英国国王居住的白金汉宫也被炸。在当晚的恐怖空袭中，伦敦市民死00余人，伤1500余人。次日天亮后，阳光都无法穿透伦敦上空浓厚的黑烟！戈林告诉妻子：“伦敦烧起来了！”德军对伦敦实施的大规模空袭，企图以摧毁城区的残暴轰炸，使英国屈服。然而，英国人民在如此惨重的损失下，没有屈服，相反更激起了对纳粹暴政的仇恨和战斗的决心！[4]
从9月7日起，一连七天，德军对伦敦不分白天黑夜实施了大规模空袭，使伦敦蒙受了巨大的人员财产损失。但这损失并没有白费！英国空军得到了至为宝贵的喘息之机，迅速恢复战斗力。此外，英国空军指挥序列也有了变动，战斗机司令部司令道丁和第11大队大队长派克主张以中队为单位的编队逐次投入战斗，而第1大队大队长马洛里则主张以至7个中队组成大编队迎战，实战中由于第11大队经常以编队作战，多次空战出现了德军战斗机竟然是英军的二三十倍这样的众寡悬殊，使英军损失较大。经过一段时间的实战检验，英国空军肯定了大编队作战，以空军副参谋长斯坦莫尔上将接替道丁，第1大队大队长马洛里接替派克，分别担任战斗机司令部司令和第11大队大队长。
9月15日经过八天的调整和补充，英国空军先后出动了19个中队00余架战斗机，迎战前往伦敦的德军00架轰炸机和600架战斗机组成的大机群，激烈的空战持续了整整一天，在英军英勇抗击下，很多德机漫无目的投下炸弹，匆匆返航。全天有56架德机被击落，其中4架轰炸机，另有1架在返航和着陆途中伤重坠毁，还有80架飞机是带着满身的弹痕着陆，英军在空战中损失0架“飓风”和6架“喷火”，还有7架伤重报废。这天是不列颠空战的转折，德国空军终于意识到，并没有掌握英国南部的制空权，并不能够在白天进行为所欲为的空袭，英国空军不但没有被消灭，而且还很强大！
丘吉尔首相亲临第11大队的指挥中心督战，他将这天称为世界空战史上前所未有的、最为激烈的一天！战后，英国就将9月15日定为不列颠空战日，以纪念这一辉煌胜利！
9月16日和17日，英国空军挟胜利余威出动轰炸机对德军集结在沿海的用于登陆的船只和部队进行了猛烈攻击，击沉击伤近百艘船只，并给德军造成了重大的人员和物资损失，迫使希特勒于9月18日下令停止在沿海集结船只。
9月16日至19日，由于天气不佳，德军仅进行规模空袭，战果很。
为减少飞机损失，戈林下令从10月1日起对伦敦的空袭从白天改为夜间，并鉴于英军战斗机注重攻击轰炸机，忽视战斗机的特，白天由梅塞施米特－109加挂炸弹，进行偷袭。一开始果然奏效，加挂炸弹的梅塞施米特－109毫无阻拦，顺利到达目标上空，轰炸连连得手。英军随即吸取教训，对德军任何飞机都进行拦截，由于梅塞施米特－109加挂炸弹后，非常笨重，不堪一击，损失极大，德军只好终止这一战术。
10月份，德军继续对伦敦进行恐怖空袭，企图以巨大的物质损失和死亡来迫使英国屈服，但在猛烈空袭下，伦敦市民依然照常工作、生活和娱乐，并保持着英国人的乐观和幽默，有位裁缝轰炸期间在店门上贴着“营业照常”的纸条，而当他的店被炸毁后，他在废墟上挂出了“营业更加照常”的纸条！
10月1日，希特勒决定将“海狮计划”推迟到1941年春，实际上放弃了在英国登陆的计划，所谓推迟仅仅是遮人耳目的幌子，因为德军统帅部早就决定1941年夏入侵苏联，自然不可能再进攻英国了。
10月5日，意大利空军也派出飞机加入对英国的空袭，但意军飞行员一见到英军凶猛准确的高射炮炮火就吓坏了，仍下炸弹掉头就逃。直到11月10日，英军首次击落了意军飞机，才知道意大利也参加了空战。