这场战役的第三阶段开始于8月24日星期六，德国空军开始集中轰炸英国皇家空军的主要内陆基地。对英国而言，这是一段最危险的时期，因为如果德国空军可以成功令这些机场目标哪怕只是短期内无法投入使用的话，那么这些敌人便能够重新发起对英国本土舰队的袭击，若是再动用大规模伞兵部队进而占领机场，那么将出现德国人登陆入侵的局面。短短一周之内，皇家空军位于比金山、曼斯顿、利姆、霍金杰等多地的数处基地要么遭到严重损毁，要么根本无法使用。8月30日，德国空军共出动了飞机1345架次飞临不列颠上空，次日甚至更多。英国战斗机司令部在8月31日一天便损失了39架战斗机。如果德国空军照此情形继续对英国机场给予猛烈攻击的话，那么很显然，英国消耗和补充的比例将无法维持下去。

就在英国战斗机司令部在对手的压迫下几乎到了承受的极限时，德国人犯下了一个重要的战略失误。他们在这场战役正进行得如火如荼之时突然改变了自己的攻击目标，把焦点从英国的机场转移到了城市。这次生死攸关的转变为英国战斗机司令部提供了迫切需要的喘息之机，他们利用这段时间迅速开始修复严重受损的机场。而希特勒和戈林改变这场战役目标的原因则主要是政治方面的。他们落入了丘吉尔依据纳粹心理所设计的圈套。当8月25日、28日和29日英国皇家空军袭击了柏林，以报复8月24日一架德国飞机对伦敦市区的轰炸（也很可能是在迷失方向后误投的），希特勒向德国人民做出了他将会保护首都这样毫无意义的承诺。于是，9月4日，希特勒给出了回应，他向德国人民承诺道：“当他们宣布将全力攻击我们的城市时，我们会将他们的城市彻底抹掉。”三天后，希特勒下令将轰炸的目标从机场转移到城市，他没有意识到，自己已经犯下了一个根本性错误，正如5月24日他命令德军装甲兵团在敦刻尔克城外停止前进时一样。

于是，这场战役的第四阶段于9月7日星期六上午的晚些时候正式打响。德军随后对伦敦地区展开了大规模空袭。道丁的私人助手、空军上尉怀特后来回忆说：“德国人发动了我们曾经见过的最猛烈的空袭，但目标不是机场，他们飞到了伦敦。所以我们可以齐心协力修理一切设施，而且，最重要的是，这让我们的飞行员得到了稍稍休息一会的时间。”机场跑道上满是弹坑，而没有了轰炸的威胁，飞机终于能够停放在机库中得到修理了。在这短短的几天里，此前受到严重打击的皇家空军在其几乎所有最重要的基地中彻底完成了重建工作。

1940年9月中旬，大量炸弹落在了伦敦西区、唐宁街、白金汉宫、下议院所在地、多所法庭以及8座由雷恩设计的教堂附近。1940年9月14日，希特勒在元首会议上说，“很快，我们将占领英国，紧随其后的成功登陆将彻底结束这场战争。”“英国即将被饿死。”当天，对英国的轰炸又转移到了克莱德河流域的工业地区。总之，从1940年9月7日到1941年5月16日这场“伦敦大轰炸”第一时期结束，伦敦共遭受了71次主要袭击，其他城市像利物浦、伯明翰和普利茅斯各有八次，格拉斯哥有五次，南安普顿有四次，朴茨茅斯有三次，还有八座城市至少遭受过一次这样的袭击。但“伦敦大轰炸”的出现却让英国皇家空军获得了这场空战的最终胜利。在那几个月的时间，共有18291吨的高爆弹被投到了伦敦市区。即便如此，由于伦敦防空救护队的优异表现，每天的死亡人数很少有超过250人的时候，与那些后面即将出现多次的德国城市相比，后者往往在一个晚上就被烧成了灰烬。

虽然英国在1940年7月已经拥有1200门重型防空炮和3932部探照灯，但它们的作用却十分有限，除了迫使德军飞机升高到更高的位置，令其无法处于理想的精确投弹状态之外，它们几乎没有其他用处。从整个夜间“伦敦大轰炸”来看，损失于飞行事故的德国轰炸机数量也要多于被英国防空炮火或夜战中战斗机击落的德军飞机。事实上，高射炮只不过是想提升平民的士气，告诉人民，英国正在反击。令人备感吃惊的是，虽然在“伦敦大轰炸”中有200万人离开了伦敦，但其余60%的人都更宁愿在自己的床上过夜也不打算去防空洞。

不列颠之战在1940年9月15日达到顶点，丘吉尔对此的记录道，那就像当年的滑铁卢战役在一个星期天再次上演。一开始，德国派出了100架轰炸机和400架战斗机计划空袭伦敦，但最后的结局却是56架德国飞机被击落，而皇家空军只损失了26架战机。虽然德国损失的飞机数量按照后期的标准来看并不算多――比如，在1945年马里亚纳群岛战役中，日军一天便有400架战机被击落――但在1940年，这一数目对于德国人来说还是大得有些难以承受。9月15日――这天被定为“不列颠空战日”――之后，德国空军的士气受到了重挫。