1917年7月，孙中山南下广州，护法运动开始。8月25日，一批国会议员南下广州召开“非常国会”，宣布成立护法军政府，以孙中山为护法军政府大元帅。10月，孙中山正式就职，随即组建中华民国军政府，并招募兵员，组建粤军。在孙中山的指挥下，粤军出兵潮汕平叛，并击败北洋政府进攻广东的“闽浙联军”，夺取了闽南26个县，建立了以漳州为中心的“闽南护法区”。

早在辛亥革命之前，孙中山就敏锐地觉察到了飞机的重要性，并把飞机与中国的革命实践联系到一起。护国战争期间，孙中山曾指示在海外创办了多所航空学校，培养航空人才，并敦促海外革命团体迅速购置飞机，组织飞机队，回国参加反袁斗争。护法运动开始后，不少航空人才追随孙中山来到广东。1918年初，孙中山在大元帅府下设立航空处，处长是美国归侨机械专家李一得，副处长林福元，飞行员有张惠长、陈庆云、蔡司度等。航空处发现大沙头库房中有旧飞机两架，于是加以修理，经张惠长等试飞，认为飞机性能还好，就以大沙头为基地，训练飞行人员。1918年春，北洋政府任命盘踞海南岛的军阀龙济光为两广巡阅使，指使其进攻广东，与军政府所属部队展开激烈战斗。林福元、张惠长等驾驶飞机开赴广东南部战场，配合陆军作战。

桂、滇军阀虽然参加护法，实际上却企图“割据自雄”，因而极力限制、排挤和打击军政府的革命活动，不久便将军政府由大元帅元首制改为“政务总裁合议制”，架空孙中山。孙中山愤而辞去大元帅职务，离粤赴沪。

孙中山虽离开了广州，但仍十分关心航空建设。1919年2月，他命令杨仙逸、张惠长等赴汕头，帮助粤军建立航空队。4月19日，在得知杨、张二人已抵达漳州后，他又致函杨仙逸，希望他们发挥自己“对于飞机学问，研究素深”的优势，“力展所长，羽翼粤军，树功前敌”。1919年6月，粤军在福建漳州成立航空队，队长为陈应权，实际总指挥则是杨仙逸，队员有张惠长、蔡司度、叶少毅、李光辉、余东华等人，拥有飞机6架。

孙中山离开广州后，桂系军阀为进一步控制广东，又剪除了滇军在广东的势力。1920年6月3日，孙中山等联名通电，揭露桂系假护法的行径，否认其把持的广州军政府。

8月11日，桂系军阀出动部队进攻粤军。孙中山一面指挥粤军回师广东讨伐桂系，一面组织民军在桂系后方举行武装起义，与粤军里应外合，共讨桂系。

粤军回师广东后，一路连战连捷，航空队分两路配合粤军进行战斗，曾向淡水、平潭、马鞍山等处桂系部队阵地侦察、轰炸，迫敌退却。航空队员还驾驶澳门的水上飞机抵达广州上空侦察敌情并散发传单，给桂系军阀以很大震慑。

不久，护法舰队在粤籍将领汤廷光等的努力推动下，重新转回到孙中山的护法旗帜之下；在孙中山的策动下，驻防广州的魏邦平、李福林部以及广东多路民军等先后起来响应，与粤军组成“讨桂联军”。孙中山委任林福元为“讨桂联军”总司令部航空主任，拟订及实施陆空协同作战方案。10月，“讨桂联军”攻克虎门，进而迫近广州。这时，“讨桂联军”航空队派张惠长、杨仙逸驾驶“鸭婆”水上飞机从虎门起飞，空袭莫荣新设在广州观音山的最高军事指挥机关广东督军公署，将正在署内召开军事会议的桂系军阀首领、广东督军莫荣新及其高级幕僚炸得四散逃命，动摇了莫荣新的军事指挥系统。10月26日，莫荣新见大势已去，率领桂系残部退出广州。“讨桂联军”航空队飞机又在广州周围各地散发传单，号召广东军民群众，起来讨伐桂系军阀。莫荣新率残部逃至三水，准备继续向西退至肇庆、德庆一带。飞机队奉命追击，派张惠长、陈庆云驾驶“鸭婆”飞机飞往三水，一直追至德庆，莫荣新残部见到飞机在头顶上盘旋，一路惊慌逃窜，很快退出广东。

桂系军阀被驱逐后，孙中山于1920年11月末返回广州，重组军政府，宣布继续护法。不久，孙中山设立直属大元帅府的航空局，孙中山任命朱卓文为局长，航空局下辖两个飞机队，张惠长为第一飞机队队长，有水上飞机5架；陈应权为第二飞机队队长，有陆上飞机4架。为激励航空人员，孙中山亲笔为其题了“志在冲天”四个大字。