1931年“九·一八”事变后，佟彦博随东北大学流亡到北京继续学业，一年后毕业。1933年，听到张学良对东北流亡学生的讲话后，对日本侵略中国非常愤怒。他怀着对家乡沦丧的耻辱和忧国忧民的心情，放弃了出国深造的机会，立志报效国家抗击日本侵略，动员并偕同数名学友，毅然投笔从戎，顺利地考入中国空军，受训于杭州笕桥中央航校，主修轰炸系。1935年，他以优异的成绩毕业于笕桥航校第三期，留校任教官兼区队长职务。

1935年至1939年间，佟彦博历任中国空军部队分队长、福中队长、中队长、福大队长、大队长等职务。1937年4月，佟彦博被调往聚集航空精英的三十中队——被时人称为“国宝”的马丁轰炸机队，该队位于上海虹桥，美籍顾问罗兰在全部完训时宣布三十中队长石友信和队员佟彦博的驾驶技术最为熟练，认为“佟彦博是一位勤于思考，判断力、分析力很强而沉着冷静的青年军官”。

全面抗战爆发后，佟彦博数次奉命对日作战，屡建战功。由于他为人稳重，飞行技术精湛，曾担任蒋介石专机驾驶员。

1938年5月19日，根据国民政府最高当局的命令，他和徐焕升驾机远征日本本土，进行“人道远征”空袭。投下传单100多万张。这是日本有史以来第一次被外国飞机袭击。

1939年底，佟彦博奉命去苏联学习并办理援华军事物资（主要是空军所需作战物资）的工作。他身负重任，为打击日本侵略者，为国为民日夜操劳。当时他的苏联朋友称他为“不知疲倦的人“。他在苏联期间，由于受到周围环境的熏陶和我地下党的影响，思想上发生急剧变化。1942年回国后，即被当局以共产党嫌疑犯罪名软禁在四川峨眉山，审查、反省长达8个月之久，后经王叔铭向军事当局力保，佟彦博才得以走下峨眉山上，被空军司令部重新启用后，出任昆明地区空军作战科科长。

1943年下半年，佟彦博出任空军某部第二大队少校大队长，主要任务是训练部属驾驶1942年底美国陆续援华的美式B-24、B-25、B-29等轰炸机。

1944年1月4日，佟彦博在继续训练飞行员做盲目飞行时，飞机在成都西北新繁地区失事，佟彦博血洒长空，遇难殉职，时年33岁。