第一飞行团的前两次轰炸，都因气象关系而未能完成任务，深感必须确实掌握气象情况，部队才可出动。
因而加强了天气侦察，并确定于5月20日对重庆进行第3次轰炸。
然而很快日军从情报中得知，中国空军在兰州的一部分战斗机已空转至成都一带，以加强该地区的防空力量。
20日，日军派出独立第18侦察中队2架飞机分两处进行侦察，据报重庆地区天气良好。
于是第60战队12架，第98战队、第12战队各9架由汉口起飞，到达目标附近时虽然空中有云，但从多处的云缝中，可以时断时续的看到重庆市区。各机群当即以高度4500米，对指定的目标进行了密集的轰炸。这次出动，中途有“意大利式”、“九七式”各一机因故障而中途返航。
而这次轰炸效果非常明显，给重庆方面造成了巨大的损失，整个重庆市区浓烟滚滚！
但是这次轰炸也遭到了中国空军的阻击，在发现日军航空兵来袭之后，中国战斗机群12架战机当即起飞拦截，并在高度约4000米的上空追逐日军侦察机。
而且在接近市区时，地面的高射炮亦开始对空射击，在展开空战后，日机于仓促中一次将炸弹投下随之返航。
一阵激烈的交战之后，日军这次共有3架轰炸机被中国战斗机击落，两架战机受伤，损失不小。
与此同时，华北方面军也制定了相应的轰炸计划，而他们的轰炸目标是西北重镇兰州！兰州，位于河西走廊核心区域，是中国西北地区战略地位仅次于西安的重要城市。
由于是苏联援助中国作战物资的陆上、空中重要通道和集散地点，由苏联外贝加尔和中亚地区飞至中国的大批志愿空军部队，须经过该地加油、检查和再次起飞至内地，因此兰州有航空总修理厂，修理苏式各种飞机，也有苏联志愿军事人员的接待机构和医院等等，战略地位在某种程度上讲，兰州比西安等地还要重要。
就在寺仓正三的第1飞行团对中国重庆进行大轰炸时，日军驻华北的侦察部队已对兰州进行了多次侦察。
所属志津侦察飞行学校教官大室孟中尉等，经过空中摄影，发现由运城飞向兰州的地图，在水系、道路、城市等的位置、距离等方面误差太大，不能保证空中准确航行。
经以多种地图对照后，认为只有“南满洲铁道株式会社调查部”所绘制的二百万分之一中国西北地区之地图较为准确。
此时的飞机速度不大，每小时在300公里左右，因而使用的多为地标较多的50万分之一航空地图，所以“满铁”的地图虽然比较准确，但只能作为地面准备时之参考。
这些侦察部队，为隐蔽其对兰州轰炸的企图，其飞行高度都在7000米以上，当时因无雷达，很难被提前发现，因此决定以南满洲铁道株式会社调查部所绘制的二百万分之一的那份地图为参考，轰炸兰州城。