早年經歷1920年考入東北陸軍軍官教育班，後被選派赴法國學習兩年飛機駕駛，繼而專修驅逐機專科。其間改名為高志航。畢業後又授軍士軍銜前往南錫的法國陸軍航空隊第23驅逐團見習。1927年1月，高志航學成回國，任張學良部東北航空處飛鷹隊少校隊員，再擔任東北航空教育班少校教官。
九一八事變後，經一起學習飛行的老友邢鏟非介紹前往國民黨軍政屬所屬的航空隊任職。由於飛行事故，未能參加1932年1月28日爆發的一二八事變。為了繼續飛行，他進入杭州筧橋中央航校高級班受訓，後留校任教官。但由於其為東北軍出身而不受重視遭到排擠，軍銜由少校降為上尉。後由於在一次航空表演中的出色表現使得航校同意提拔其出任第8隊隊長，開始執教中央航校驅逐機班學員。
1934年春，高志航晉升為空軍第四大隊中校大隊長，轄21、22、23中隊，在杭州筧橋開始訓練新的飛行員。1935年，高志航被派至意大利考察航空1年。後在飛行表演中表現出眾，墨索里尼看過後説過，“這樣技術的飛行員在意大利也是數一數二的。”意大利飛機商為了推銷已經落後了的飛機，便試圖向高志航行賄，被高拒絕。高在向墨索里尼辭行説：“貴國飛機已經太落後了，貴國想用行賄的方式要我們購買，我們中國人決不接受，請原諒。我們將去美國，再見！”墨索里尼非常欽佩他的行為，並將隨身所帶的鋼筆手槍送給他作為紀念。
歸國後，高志航擔任教導總隊副總隊長，協助總隊長毛邦初工作，在南昌集訓驅逐機部隊所有飛行員。培養出如，劉粹剛、劉哲生、董明德、李桂丹，鄭少宇、羅英德等優秀飛行員。
戰鬥經歷1937年8月13日，淞瀘戰爭爆發，14日當天早飯後，時任第四航空大隊大隊長高志航飛南京開會，行前指示空軍第21中隊隊長李桂丹率21、22、23各中隊按命令提前行動。下午，在經過冒雨、穿雲，克服惡劣氣象條件的長途飛行後，4大隊21、23中隊先行達到筧橋機場，高志航大隊長也從南京直接飛抵筧橋。而此刻正好收到時任空軍前敵總司令部防空總枱長的陳一白將軍最新日機進襲情報，敵大型轟炸機若干向筧橋方向而來，高志航立刻前往起飛線前，以喊話、手勢命令正在降落的21、23中隊隊員趕快再次起飛，利用最後一點餘油攔截日機。高志航立刻駕機起飛，擊落日機一架這是中國空軍首次擊落日機。
此後的1939年9月，國民政府正式下令每年8月14日為空軍節。從此高志航與劉粹剛(1937年10月在支援忻口戰役時，座機燃油告罄，迫降時不幸碰撞城樓而以身殉職，時年24歲。)、李桂丹(1938年2月在武漢保衞戰中與日機互撞時犧牲，時年24歲)、樂以琴(1937年12月在與日軍空戰中，其座機被敵擊中。跳傘時，為避日軍射擊，張傘過遲，壯烈殉國，時年22歲。)並稱為中國空軍“四大金剛”。8月15日晨，日本海軍航空隊第2航空戰隊派出多批34架飛機從加賀號航空母艦上起飛襲向杭州。高志航擊落日機兩架，後左臂中彈返回機場。杭州各界得知後，紛紛前往廣慈醫院慰問，時任中華民國軍事委員會委員長蔣介石特匯來一萬元大洋，並專電褒獎，責令送相對安全的漢口治療。出院後，晉升為空軍驅逐機上校司令，專責南京防空任務，指揮第三、四、五3個航空大隊，併兼任第四航空大隊大隊長，第四航空大隊亦被命名為“志航大隊”。10月，日機入侵南京，高志航率機迎擊，擊落日機一架。
1937年11月，高志航奉命赴蘭州接收蘇聯援華的戰機。根據命令他率援助的戰機飛至周家口。因天氣惡劣，留原地待命。11月21日，周家口機場接到報告，有11架日機向該機場飛來。他立即下令作戰，然而此時日軍戰機已飛至機場上空，在日機的俯衝轟炸下高志航登上座機，剛進入機艙既被早有準備的日軍戰機投下的炮彈炸中而殉國，時年30歲。同時殉國的還有第四航空大隊軍械長馮幹卿、到機場送飯的伙伕郭萬泰等六人。陣亡時，高志航的雙手還緊緊握着飛機的操縱桿。
犧牲後，國民政府和軍委會追授高志航少將軍銜。在漢口商務會大禮堂舉行的追悼會上，蔣介石親自主持，並敬獻花圈致哀，上書“高志航英雄殉國，死之偉大，生之有威，永垂千古”。周恩來也參加了追悼會，稱讚高志航“是中華民族的英雄，為抗日犧牲的，為民族犧牲的。”1993年，92歲高齡的張學良為這位東北同鄉、當年的部下題詞：“東北飛鷹，空軍戰魂”。
