自抗戰爆發後，日軍大舉進犯華北、淞滬，華北方麵戰事十分危急。南口失守，雁北淪陷，忻口會戰，太原危急。以國共合作為基礎的抗日民族統一戰線成立後，陝北紅軍奉命改編為國民革命軍第八路軍，協同國民黨正規部隊在山西忻口一線設防，與友軍並肩作戰，奮勇抗敵。日軍三易指揮官，數次增兵馳援，經二十餘日攻我不下。敵軍遂改變作戰計劃，由正太線攻擊娘子關。這樣，忻口腹背受敵，太原岌岌可危。為了阻止正太線西進之敵，八路軍之129師和115師已馳援娘子關。空軍接到命令，要派一隊飛機明日出發，任務是在27日拂曉，掩護八路軍反攻娘子關。
當時，劉粹剛正準備休他參加抗戰以來的第一個假日，但當他接到通知後，毫不猶豫地接受了這個任務。當時，有個分隊長叫雷炎均，對太原的地形較熟，也自告奮勇願作領隊。但劉粹剛認為這次出征關係重大，是關係到國共合作共同抗日的一項大事，必須派一位有豐富經驗的飛行員作領隊，他認為自己最合適。於是，他先到陵園飛行員的處所去組織隊員，選定徐葆、鄒賡續作為他的二、三號僚機。然後，又到中華門第24驅逐機隊部，交代隊部的公事。12月26日7點鍾，3架霍克三式驅逐機肩負著國共合作共同抗日的使命，從江蘇溧水機場起飛了。他們編隊而行，沿著長江上溯疾駛，10時許抵達漢口機場，為飛機加油。不久，又飛往河南。下午1點左右，安全降落在洛陽郊外的機場上，給飛機加油。按照原計劃，他們將在當天下午趕到太原。但又偏偏趕上當天氣候惡劣，洛陽至太原間彌漫著厚霧，雲高不足100英尺，而且又下起雨來。
按照常規，當時的天氣是不能飛行的。可是劉粹剛生性倔強，大凡作事，特別是執行戰鬥任務，他非要親自幹一場不可，從不畏懼和猶豫。飛機在洛陽加完油，他和隊員們稍事休息之後，又從洛陽繼續北飛，循汾河前進，來到太原，天色已黑。
他們冒著蒙蒙細雨，在茫茫夜空中作低空飛行。晚八時左右，他們已按時到達晉北娘子關附近。他們想與晉北的八路軍取得聯係，但八路軍與他們並沒有陸空聯絡信號和規定，也無法判斷是敵機還是友軍飛機，隻好實行燈火管製，以免遭日軍空襲。劉粹剛一行在陣地上空盤旋很久，又不敢盲目地投擲炸彈或掃射，恐傷及友軍反而造成不良後果。經過幾個圈子的偵察飛行，也無法認清敵我軍隊的位置。突然，他們受到地麵高射炮火的猛烈轟擊，始知飛入晉北日軍陣地了。他們趕忙調度升高器，奮力飛出日軍高射炮火力網。
對於尋覓地麵目標來說，劉粹剛可謂是老手了。由於夜色漆黑，加之航線不熟，他力圖尋找太原機場，但一直未能找到。他料想，太原機場為了防備敵機空襲，一定是關閉了機場的燈光設備。如今太原去不成了，隻好連夜飛回洛陽。晚八點五十分，他們飛過一道嶺，劉粹剛發現座機油將告罄，遂關閉了機側的指揮燈——這是“隊員分散，各尋降落地”的信號。但兩架僚機仍緊隨不舍，他們不能沒有他呀！劉粹剛隻好繼續領隊前進。