毕业后不久，于1934年2月即以成绩优良保送去意大利航空学校进修低空攻击，兼习空降。后来又到美国进一步深造，掌握了全面的飞行技术，成为当时为数不多的全天候飞行员之一。先后任空军部队训练处教员，空军第九大队第二十六队队长、空军第五大队副大队长、空军第十一大队大队长、驱逐纵队副大队长、空军运输队队长等职，升至中校三级。

1937年10月，担任国民政府空军第七大队中队长，奉命率领第七大队的20架低空攻击机，从南京大校场起飞，给入侵吴淞后立脚未稳的日军以沉重打击。1942年，王汉勋一度担任空军教官。

抗战后期，我国西南与国外交通的要道滇缅公路，因受日军攻击截断，战时物资，陆路已无法运输供给，只有开辟空中航线，以资救济，此实为当时最重要的急务。后当局作出驼峰航线开航的规划，所谓“开航”，就是要飞越地球上最高的喜马拉雅山，人驾飞机有没有从山顶上飞过去的可能性，谁都不敢说，谁也不敢去试飞这第一次。王汉勋为了国家利益，以及解决战时物资运输的艰难，毅然请命起飞，他凭着高超的飞行技术和英勇的献身精神，胜利完成首航任务，为驼峰航线的开辟作出了贡献，