1917年7月，孫中山南下廣州，護法運動開始。8月25日，一批國會議員南下廣州召開“非常國會”，宣布成立護法軍政府，以孫中山為護法軍政府大元帥。10月，孫中山正式就職，隨即組建中華民國軍政府，并招募兵員，組建粵軍。在孫中山的指揮下，粵軍出兵潮汕平叛，并擊敗北洋政府進攻廣東的“閩浙聯軍”，奪取了閩南26個縣，建立了以漳州為中心的“閩南護法區”。

早在辛亥革命之前，孫中山就敏銳地覺察到了飛機的重要性，并把飛機與中國的革命實踐聯系到一起。護國戰爭期間，孫中山曾指示在海外創辦了多所航空學校，培養航空人才，并敦促海外革命團體迅速購置飛機，組織飛機隊，回國參加反袁斗爭。護法運動開始后，不少航空人才追隨孫中山來到廣東。1918年初，孫中山在大元帥府下設立航空處，處長是美國歸僑機械專家李一得，副處長林福元，飛行員有張惠長、陳慶云、蔡司度等。航空處發現大沙頭庫房中有舊飛機兩架，于是加以修理，經張惠長等試飛，認為飛機性能還好，就以大沙頭為基地，訓練飛行人員。1918年春，北洋政府任命盤踞海南島的軍閥龍濟光為兩廣巡閱使，指使其進攻廣東，與軍政府所屬部隊展開激烈戰斗。林福元、張惠長等駕駛飛機開赴廣東南部戰場，配合陸軍作戰。

桂、滇軍閥雖然參加護法，實際上卻企圖“割據自雄”，因而極力限制、排擠和打擊軍政府的革命活動，不久便將軍政府由大元帥元首制改為“政務總裁合議制”，架空孫中山。孫中山憤而辭去大元帥職務，離粵赴滬。

孫中山雖離開了廣州，但仍十分關心航空建設。1919年2月，他命令楊仙逸、張惠長等赴汕頭，幫助粵軍建立航空隊。4月19日，在得知楊、張二人已抵達漳州后，他又致函楊仙逸，希望他們發揮自己“對于飛機學問，研究素深”的優勢，“力展所長，羽翼粵軍，樹功前敵”。1919年6月，粵軍在福建漳州成立航空隊，隊長為陳應權，實際總指揮則是楊仙逸，隊員有張惠長、蔡司度、葉少毅、李光輝、余東華等人，擁有飛機6架。

孫中山離開廣州后，桂系軍閥為進一步控制廣東，又剪除了滇軍在廣東的勢力。1920年6月3日，孫中山等聯名通電，揭露桂系假護法的行徑，否認其把持的廣州軍政府。

8月11日，桂系軍閥出動部隊進攻粵軍。孫中山一面指揮粵軍回師廣東討伐桂系，一面組織民軍在桂系后方舉行武裝起義，與粵軍里應外合，共討桂系。

粵軍回師廣東后，一路連戰連捷，航空隊分兩路配合粵軍進行戰斗，曾向淡水、平潭、馬鞍山等處桂系部隊陣地偵察、轟炸，迫敵退卻。航空隊員還駕駛澳門的水上飛機抵達廣州上空偵察敵情并散發傳單，給桂系軍閥以很大震懾。

不久，護法艦隊在粵籍將領湯廷光等的努力推動下，重新轉回到孫中山的護法旗幟之下；在孫中山的策動下，駐防廣州的魏邦平、李福林部以及廣東多路民軍等先后起來響應，與粵軍組成“討桂聯軍”。孫中山委任林福元為“討桂聯軍”總司令部航空主任，擬訂及實施陸空協同作戰方案。10月，“討桂聯軍”攻克虎門，進而迫近廣州。這時，“討桂聯軍”航空隊派張惠長、楊仙逸駕駛“鴨婆”水上飛機從虎門起飛，空襲莫榮新設在廣州觀音山的最高軍事指揮機關廣東督軍公署，將正在署內召開軍事會議的桂系軍閥首領、廣東督軍莫榮新及其高級幕僚炸得四散逃命，動搖了莫榮新的軍事指揮系統。10月26日，莫榮新見大勢已去，率領桂系殘部退出廣州。“討桂聯軍”航空隊飛機又在廣州周圍各地散發傳單，號召廣東軍民群眾，起來討伐桂系軍閥。莫榮新率殘部逃至三水，準備繼續向西退至肇慶、德慶一帶。飛機隊奉命追擊，派張惠長、陳慶云駕駛“鴨婆”飛機飛往三水，一直追至德慶，莫榮新殘部見到飛機在頭頂上盤旋，一路驚慌逃竄，很快退出廣東。

桂系軍閥被驅逐后，孫中山于1920年11月末返回廣州，重組軍政府，宣布繼續護法。不久，孫中山設立直屬大元帥府的航空局，孫中山任命朱卓文為局長，航空局下轄兩個飛機隊，張惠長為第一飛機隊隊長，有水上飛機5架；陳應權為第二飛機隊隊長，有陸上飛機4架。為激勵航空人員，孫中山親筆為其題了“志在沖天”四個大字。