1937年日本開始全面侵華後的頭幾個月，中國空軍損失慘重。應中方請求，蘇聯開始對華提供軍事援助，蘇聯志願飛行員是最早參加抗日軍事行動的人員之一。1937-1941年間，有3665名蘇聯軍事專業人員抵華，其中包括近2500名飛行員和技師。
季莫費∙赫留金於1938年3-8月參加了中國人民的抗日鬥爭。飛行員們赴華任務一般為3個月，但季莫費被留到了第二任務期，因為他舉薦自己擔任了援華航空隊隊長。在此之前，赫留金於1936年10月至1937年3月曾作為志願者在西班牙作過戰，保衛過西班牙人民抗擊佛朗哥的獨裁政權。
作為航空兵大隊隊長、之後又作為援華航空隊總隊長，赫留金親自參加了18架次戰鬥出動，轟炸日本軍艦和機場。曾對機場組織了4次、對河渡組織了數次以及對日本軍艦實施了14次轟炸。季莫費∙赫留金親自參加的戰鬥中消滅了54架日本飛機、在長江上的34艘艦艇和1艘載有約30架戰機的日本航母。
對日軍蕪湖機場的轟炸
1937年蕪湖被日軍佔領。該城擁有一座大型機場，這裡駐有近60架日軍戰機，因此該機場被選為轟炸目標。轟炸行動從9千米高度實施。
納塔利婭援引父親回憶錄中的話說：“部分日軍戰機已升空向中方轟炸機迎面而來。它們起初可以更快速地爬高，但當超過6千米高度時，其機動性瞬間下降。無論飛行員還是飛機都無法接近到射擊的距離。可以看到日機仰起機頭，試圖向我們爬升又跌落下去。他們就像一群向著路過的汽車狂吠的看院狗。我們一點都沒關注它們，繼續飛行。”
本次轟炸行動消滅了12架96式戰鬥機（三菱A5M），23架嚴重受損。數枚炸彈被投進汽油庫，大量燃料儲備被燒掉。機場上有123名飛行員和技師被炸死。
來自海上進入長江的日軍軍艦對登陸兵登陸造成了威脅，因此消滅日本軍艦具有重要戰略意義。正如赫留金本人所回憶的那樣，日艦被打得猝不及防，因為襲擊是從日本縱深後方實施的，他們根本沒想到這是中方飛機。
納塔利婭引用父親回憶錄中的話說：“一艘被3枚炸彈同時擊中的軍艦快速傾側並船底向上傾覆。之後我們都很長時間回憶起日本人驚慌失措地穿著白色制服越過船舷跳入水中的樣子。 這艘船很快就沈沒了，另外兩艘嚴重受損。”
擊沈航母
1938年7月赫留金所率領的轟炸機群擊沈了一艘排水量達1.4萬噸的日本航母。
納塔利婭引用父親回憶錄中的話說：“這艘航母被3枚炸彈擊中。第一枚擊中了艦尾。航母尾部冒著濃煙下沈。尾部出現了一個大洞。第二枚炸彈擊中了艦首，第三枚擊穿了甲板並在船內爆炸。航母向後下沈，開始傾側。一枚100公斤的炸彈擊中了另一艘船的火藥庫。它幾乎瞬間就沈了下去。這是艘保衛航母的輕型巡洋艦。”
蘇聯政府高度評價季莫費∙赫留金在華的行動。他被授予蘇聯英雄稱號並被提前授予上校軍銜。