1950年10月15日，刘震从中南军区空军司令员一职调任中国人民解放军第13兵团副司令员。不到一个月后，他收到中央军委的紧急指示，要求他立即前往北京商议重要事务。

11月4日，刘震乘坐空军专机从武汉启程，迅速抵达北京。基于其丰富的军事经历，他立即察觉到此次行程意味着新的使命即将交付于他。

当晚，空军司令刘亚楼紧急会晤刘震，直截了当地传达了中央军委的决定：任命刘震为东北军区空军司令，负责组建并指挥志愿军空军部队参与抗美援朝作战，同时兼任志愿军空军司令一职。

刘震得知此事后深感意外，原本从陆军转为空军已非其所愿，如今竟要率空军赴朝作战。他立即表示拒绝，坦言自己擅长陆军事务，对空军一窍不通，甚至从未乘坐过飞机。他建议先返回中南空军熟悉相关事务，待空军正式入朝后再前往前线学习，同时让经验丰富的同僚先行承担重任。

刘震迅速认识到任务的艰巨性，随即表明态度：“必定严格遵循指令，无论面临何种挑战，都将全力以赴完成。”

刘亚楼向刘震提交了一份预先准备的志愿军空军领导名单。刘震审阅后，对其中的人员配置表示高度认可，特别提到常乾坤的加入令他倍感安心。他指出，常乾坤不仅具备航空领域的专业背景，且作为党内资深的飞行专家，其担任副司令员一职无疑将极大增强团队的整体实力。

刘震次日动身前往沈阳。1951年1月，志愿军空军指挥机构进入筹建阶段。鉴于当时中国空军处于初创时期，人员配置采取临时组建方式，主要从空军机关抽调干部和工作人员，同时得到东北军区空军的支持，并从其他军区补充部分人员。

1951年3月15日，中国人民志愿军空军司令部在辽宁安东（现丹东）正式组建，最初命名为“中朝人民空军联合司令部”。刘震担任司令员，常乾坤为副司令员。这一机构的成立标志着志愿军空军力量的正式形成，为后续的军事行动奠定了基础。

截至1951年4月末，各部队基本完成了预定训练目标，随后苏联空军顾问团启动了演习评估程序。评估过程分为四个环节：首先，各级指挥机构为首长制定决策方案；其次，对敌方机场实施突袭；再次，抵御敌方轰炸机群对关键设施的进攻；最后，协同地面部队消灭被包围的敌军。

刘震后来提到，当时他被委以重任时并未完全做好准备，仍处于初入门径的阶段。

1951年7月10日，朝鲜停战谈判启动，美军试图通过空中优势增强谈判筹码，计划利用空中力量切断中朝军队的补给线，防止其发动大规模地面攻势。8月中旬，美国空军实施“绞杀战”行动，重点轰炸志愿军的后方运输线，志愿军空军随即展开反制行动。

9月25日下午，雷达侦测到112架敌方战机分五批逼近，意图空袭平壤周边交通设施。刘震迅速决策，派出114架战机拦截。他亲自指挥了这场空战。

李永泰迅速调整方向进行爬升，试图占据有利位置，然而由于转向幅度过大，战机偏离了敌机群中心，虽成功驱散对方，却失去了射击机会。面对敌机重新集结并逼近的局面，刘震立即下达指令：“全速推进，急速爬升抢占高位！”

李永泰的飞机在遭遇密集火力后，机身多处受损，累计中弹超过30发，受损部位达56处。面对数量占优的敌军，他果断执行命令，迅速拉升飞机，随后发起猛烈攻击。在连续击落四架敌机后，他成功突破包围，安全降落机场。

在志愿军空军作战期间，苏联派遣克罗洛夫少将作为军事顾问协助指挥。克罗洛夫性格直率且易怒，尽管他工作态度认真负责，但与刘震之间仍存在一定程度的摩擦。

1951年后期，克罗洛夫建议按照空军作战规程，为便于志愿军总部统一指挥，空军基地应设在朝鲜北部。然而，刘震指出，北朝鲜机场跑道频繁遭受破坏，修复后迅速被炸毁，导致空军无法有效使用。因此，他主张空军应以安东一带作为主要基地。

双方因意见分歧无法达成一致，最终将问题提交至彭德怀处。彭德怀详细听取了双方的陈述，随后向克罗洛夫提出建议：“您的观点具有合理性，然而目前在朝鲜建立基地存在诸多现实障碍。建议先在境内设立基地，待时机成熟再考虑推进至朝鲜北部。”

这一事件最终未能得到解决，克罗洛夫对此深感不满。

1952年2月，刘震观察到敌军每日清晨派遣30余架飞机至鸭绿江南部进行气象侦察，而志愿军空军此前未曾在早晨展开空战。他决定利用这一时机发动突袭。为规避克罗洛夫的反对，刘震选择在未经其同意的情况下指挥此次行动。

第12团第3大队指挥官张积慧观察到远处天际出现多条白色尾迹。刘震随即下达指令，要求部队立即抛离辅助燃料箱并提升飞行高度，进入作战状态。

张积慧与单子玉在丢弃副油箱后，迅速提升至10000米高空，以占据有利位置。然而，他们并未在高空发现敌机，因此决定加速追赶编队。在泰川和纳清亭地区上空，张积慧观察到8架敌机迎面而来，其中两架已逼近至机炮射程之内。

在此关键时刻，张积慧操控战机迅速向右上方转弯，紧接着向左急转，成功锁定敌方飞机。敌方飞行员察觉危险，立即采取垂直爬升、急速俯冲及“S”形飞行等策略，试图甩开追踪。张积慧巧妙利用敌方“S”形飞行的最小转弯半径，迅速缩短距离并开火射击。首次射击未命中后，他在600米处再次开炮，最终成功击落敌机。

这场空战历时不到一小时，刘震在确保最后一架战机安全降落后，突感眩晕，体力不支。两名参谋迅速搀扶他回房休憩。

克罗洛夫于早晨八时抵达工作地点，得知刘震未经其知晓便参与战斗后，神情由平和转为阴沉。随后，值班人员向他汇报，据东京广播消息，张积慧在空战中击落了美军著名飞行员戴维斯少校。

克罗洛夫难掩兴奋，径直闯入刘震的卧房，急切唤醒沉睡中的刘震：“刘将军，快醒醒！戴维斯，那位顶尖飞行员，已被击落，真是大快人心！”

刘震轻哼一声，侧过身子继续沉睡，疲惫已使他无法保持清醒。

1951年2月11日，中国广播电台发布了关于戴维斯阵亡的报道。次日，中国各大报纸均刊载了其坠机现场的照片。美国空军官方对此作出回应，确认第三三四中队指挥官乔治·阿·戴维斯少校于2月10日的空战中不幸遇难。

1952年5月末，中国人民志愿军空军歼击航空兵部队已完成9个师18个团的轮换作战任务。其间执行空战任务1602架次，击落敌机123架，击伤41架。我方损失飞机84架，受损28架，敌我战损比为1.46：1。值得注意的是，空军司令员刘震虽未受过飞行训练，却成功指挥志愿军空军在朝鲜空域取得显著战果。在此期间，王海、张积慧、刘玉堤、赵宝桐、孙生禄、鲁珉等六名飞行员因卓越战绩获授特等功勋。

1952年7月，刘震因长期高强度工作导致健康恶化，其职务由华东军区空军司令员聂凤智接替。刘震结束了在中朝联合空军司令部一年半的任职，转赴新的工作单位。