黄镇球接任校长后，一边在学校开展以军队政府为主的防空建设，一边在全国各地各级政府，以民间的力量进行防空建设，宣传培训地方人员学习防空知识，组织防空救护团等等。中国的防空工作在他接任校长半年后就有了很大的改观。在1935年的年底，蒋中正要求他在南京进行一次防空演习，以检阅防空建设的成绩。
因为这是中国的第一次城市防空演习，黄镇球怕出意外，要求先在杭州进行一次，然后再在南京进行。结果蒋中正不允，他以为演习的目的是检阅成绩，发现问题总结提高，不是为了好看。于是黄只得硬着头皮在南京进行演习。 七七事变的第七天，蒋中正在庐山召见黄镇球，令他到南京秘密成立防空司令部，准备抗战事宜。他鉴于防空需要军警宪的配合，力推首都警备司令兼宪兵司令谷正伦任司令，他任副司令。经过紧张的准备，在8月15日，日机第一次空袭南京时，市民及时躲避，防空部队及时反击，曾经有过一发炮弹击落三架敌机的记录(一发炮弹击中一架轰炸机，引爆了机上的炸弹波及另两架敌机将其击毁)。南京战后，他因防空有功，升任航空委员会防空厅厅长。
南京陷落前，蒋中正特别面喻黄镇球令他到后方部署全国的防空事宜，把防空重点移到重庆。松沪会战后，国民政府空军基本消耗殆尽，后来苏联援助了我们一批战斗机，在武汉保卫战中也基本全部耗尽。当国民政府退守重庆时，我们的防空力量基本上只剩下一些残破的高炮部队了。而这时的日本空军风头正劲，频繁地轰炸重庆等我大后方的抗日基地和交通干线。这时我们除了使用疏散，隐蔽等消极办法外，没有更多有效的反击手段。这时建立在广大乡村原野上的庞大的防空哨体系就起到了巨大的预警作用。战时，中国的地面上没有一部雷达，全靠防空哨对敌机进行监控预警。这些防空哨多建在高山峻岭之上，最多的时候全国共有一万多个。即使美国参战后，中国的防空还是靠这些防空哨。这是因为当时的雷达非常庞大，难以在高山峻岭之上安装，而且它也容易受到敌人的攻击。一旦受到攻击,它就容易失效。我们的这些防空哨组织得严密而又高效。敌人的所有前线机场全在我的监视之下。敌人只要一起飞。不用二十分钟，我后方的防空指挥部就能收到敌机预警从而从容地组织疏散隐蔽伪装。而且我们可以全程监控敌机的动向，起到了雷达都起不到的作用。 1942年,重庆发生防空洞窒息事件，一下死了上千人.事件发生后，蒋中正召集一批大员商量对策，商量来商量去找不到办法。蒋问，黄镇球在那里。当得知正在西安布置当地防空事宜时，立即下令，把他接回来，他回来就有办法了。黄镇球乘飞机回重庆降落的时候，飞机冲出跑道翻了，把他的头部撞伤，好在不重。他不顾伤痛劳累，连夜查看了事故现场。发现主要还是防空宣传不到位，民众对空袭有恐惧心理，空防人员的现场指挥也有问题。发现问题后，他把防护团开到街上，向民众宣传防空避难知识，提高空防人员的指挥能力，打消了民众对空袭的恐惧。后来重庆有人说，黄镇球回来了，防空警报都变响亮了。
日军轰炸后的重庆街头
退守重庆后，我们虽然缺少防空武器，基本上没有了空军，但我们也不是完全的被动防空。当时全国只有7个高炮团，而且在前期的战斗中已经战损了不少，有的炮已经不能对空作战，只能改造修复后交陆军使用。黄镇球就把这些有限的防空兵器部署在交通要道，主要城市，充分利用我们庞大高效的防空情报网和敌机打游击。由于指挥得当，我们的高炮虽然少，也给予了敌人一定的打击。在美国援华航空队参战后，防空情报网及时给空军提供情报，协助空军指挥作战。在抗战胜利后，陈纳德回到美国特制了一万个飞机徽章委托黄镇球赠予在高山峻岭之上为国家站岗放哨的空防人员。罗斯福总统也因他对美国空军的贡献特授予他自由勋章。
