1942年6月5日，重庆发生大隧道窒息惨案，死亡上千人。蒋介石知黄镇球正在西安视察，吩咐立即用飞机接回，蒋直言:“他回来就会有办法。”
“芦沟桥事变”爆发后的第七天，黄镇球在庐山受蒋介石面谕，立即赶回南京部署防空事宜。7月23日，秘密成立了首都防空司令部。他鉴于防空须军警宪的力量配合，便推荐南京警备司令兼宪兵司令谷正伦任防空司令，自任副司令，全权处理一切防空事务。随即建立了以南京为中心的中央防空情报所，架设环城电话线、播音器。集中高射武器，集训高射炮部队，组织防护团，赶筑避难室，举行各机关的防空检阅等。
从上海事变到南京沦陷的3个多月里，他几乎一直食宿于鸡鸣寺地下室的防空司令部,紧张地指挥一切。当8月15日日机首次空袭南京时，防空警报及时发出，市民有秩序地进行疏散，防护团顺利地开展工作，高射炮部队首开记录。
在这期间，先后击落敌机12架。郭沫若曾在一首诗中，描绘了防校高炮部队在这次防空中一炮击落3架敌机的情景。黄镇球因防空有功，升任航空委员会防空厅厅长。
这年11月初，南京陷落在即，国民政府西迁。黄镇球奉蒋介石之令，先退到武汉，对全国防空重新部署。将防空重点布置在重庆、武汉、粤汉铁路、西北公路，以保证西北战线的畅通。当时，粤汉铁路无日不受日机空袭，为争取在香港陷落前抢运战略物资，黄镇球代理航空委员会主任之职，将防空指挥所移驻衡阳，重点指挥这一带的防空。
武汉沦陷后，不少人染疫而死,而他却靠着强健的体魄活了下来。
1939年2月间，日军侦知兰州机场的驱逐机载油量只够飞行一小时,便先以侦察机骚扰,待对方驱逐机全部起飞迎战降落加油时，再以事先潜伏于外围的己方轰炸机乘虚而入大肆轰炸，致该机场损失惨重。黄镇球奉蒋介石之命，同朱绍良前往查办。他很快识破了敌方阴谋，当即建议空军采取轮换加油的办法，先让半数飞机提前返航加油，再立即起飞掩护另一半驱逐机加油，使日机无隙可乘，并击落敌机3架。
在这一时期，黄镇球除了继续推行计划防空，加强高炮部队的机动性外，还着力发展情报业务，以配合空军作战。他把全国划分为若干个防空区，先在一二个地区试行方格坐标式的防空监视哨，不仅预报敌机的来犯，而且监视敌机的动向和分布。随着这一方式的广泛实施，将情报网的功能由过去的被动防御，发展到既为消极防空服务、又为对敌作战服务。他在部署当时最先进的B-29远程轰炸机而兴建成都机场过程中，发挥了重要作用，得到罗斯福总统的嘉奖。
1942年6月5日,重庆发生大隧道窒息惨案,死亡上千人。蒋介石召集刘峙、钱大钧等20余人商量补救之策，仓猝之间，大家都拿不出切实可行的办法来。蒋介石问钱大钧：
“黄镇球现在哪里？”答：“正在西安视察。”蒋吩咐立即用飞机接回来，并说：“他回来就会有办法。”黄镇球接令后赶回重庆，不料飞机降落时越出跑道翻了，黄头部受伤，幸亏不
重。他连夜查勘隧道现场，调查情况，处理善后。发现问题的症结是防空宣传未做好，市民对空袭的恐惧及指挥失当所致，便出动大批防护团人员，将事件真象、原因通告市民，广
泛宣传避难的注意事项，着重进行心理防空教育。有人说：“黄镇球回来后，防空警报都响亮些了。”
太平洋战争爆发后,美军陈纳德将军的飞虎队来华助战。为了加强云南的防空，配合飞虎队作战，黄镇球以昆明为中心建立情报网，将防校训练的防情电台三四百部，多设于高山峻岭之上。陈纳德为感谢中国防空情报人员对美国空军的帮助，曾从美国特制小飞机纪念徽10000多个，托黄镇球转赠各情报人员。
日本投降后，防空部门压缩编制，恢复到抗战前的组织形式。是年11月，黄镇球被蒋介石任命为后方勤务总司令。
南京国民政府迁到广州后，黄镇球随之失去独掌广东军事大权的地位，改任总统府战略顾问，不久逃到台湾。1950年，再任联合勤务总司令。1961年，晋升陆军一级上将。是年冬，转任总统府战略顾问委员会副主任委员。1979年7月5日，在台北逝世，终年80岁。主要著作有《防空讲话》、《防空十二年》、《联勤讲话》
等。
追溯战史，黄镇球抗战有功。
