1926年，随旅暹潮州同乡会副会长陈耀衢（在广州同陈耀衢、李卓峰、军法处处长关汉光、飞机师周宝衡一同机前合影）回国，进入陈济棠在广州创办的广东航空学校学习，为该校第三期毕业生，毕业后在广州空军当飞行员，后升任中队长，几年后又升任武汉空军大队长，联队司令长官。
抗日战争爆发后，郭汉庭率所部多次与日空军作战，屡立战功。
1938年4月29日，是日本天皇“天长节”，我国空军判断日本空军可能要偷袭武汉，早已做好了战斗准备。当时，我国空军刚从苏联买来最新式的“E15”双翼机和“E16”单翼机、“SB”轻型轰炸机等，日寇并未知晓。4月29日上午9时，武汉拉响了紧急警报，郭汉庭亲率战机升空。稍刻，日本驻台湾的空军大队40多架战斗机和轻重轰炸机，窜入武汉上空。郭汉庭指挥战鹰勇猛应战，战斗异常激烈，几架日机中弹坠毁，这时，空军大队陈怀民在与敌机战斗中，机身中弹起火，陈怀民沉着勇敢，抱着决心报国的精神，突然一转机身，向敌机猛冲过去，与日本敌机同时爆炸，坠毁于武汉青山之间，后来，武汉人民为纪念这位抗日空战英雄，把武汉市某街改为“陈怀民路”，此一战役，我空军击落日机20多架。是年5月13日，日机又侵入武汉上空，郭汉庭又率部参与战斗，又击落敌机10架，这就是抗日战争史上的“武汉空战大捷”。
1938年5月，国民政府国防部，授予在武汉空战大捷中战功卓著的郭汉庭“宝鼎干城，云魔胜利”的匾额，郭汉庭的名字被广为传颂，当时泰国曼谷中文报纸以《郭汉庭--泰国华侨的骄傲》为题，报道了他的英雄事迹。
武汉战后，为配合中国远征军赴滇作战，郭汉庭先后调任昆明空军基地站站长，并到重庆空军司令部”视察“，后被授予少将军衔，又晋升为济南空军司令长官，继续指挥空军对日作战。日本投降，郭汉庭是接受日军投降的中国军方代表之一。