Cuối năm 1954, ông tập kết ra Bắc cùng với đơn vị. Với thành tích chiến đấu, tháng 1 năm 1955, ông được cử đi học bổ túc tại Trường Văn hóa của Bộ Tổng Tư lệnh tại Kiến An, nhằm mục đích tuyển chọn đào tạo nguồn sĩ quan trong tương lai.

Tuy khởi đầu kết quả không khả quan, vào lớp 5 với kết quả đậu vớt trong kỳ phân loại, nhưng chỉ trong 1 năm, ông nhanh chóng hoàn tất chương trình 10 năm với kết quả xuất sắc [2].

Sau khi tốt nghiệp, hầu hết các học viên đều được cử đi học thêm ở nước ngoài. Vì vậy, ông cùng các bạn đồng môn trải qua thêm một thời gian học ngoại ngữ. Với kết quả học tập xuất sắc và kiểm tra sức khỏe tốt, dù đã đăng ký ý nguyện học về ngành xe tăng, ông lại được cử đi học... lái máy bay.

Tháng 10 năm 1956, ông sang Trung Quốc theo học tại Trường Không quân số 3, cao nguyên Vân Quý, Vân Nam, với chức vụ Trung đội trưởng. Trong quá trình học tập, ông luôn ở trong nhóm dẫn đầu với 8 môn lý thuyết đạt 80 điểm, tức là toàn điểm 10. Ông còn là học viên duy nhất làm bài thi bằng tiếng Trung Quốc.

Sau gần 8 năm học tập và huấn luyện, sáng ngày 6 tháng 8 năm 1964, ông dẫn đầu đội hình của Trung đoàn 921 – Đoàn Không quân Sao Đỏ với 33 chiếc máy bay chiến đấu kiểu MiG-17A, 3 chiếc máy bay huấn luyện kiểu MiG-15UTI hạ cánh xuống sân bay Nội Bài, chỉ sau đúng một ngày diễn ra Sự kiện Vịnh Bắc Bộ. Đoàn được đích thân Đại tướng Tổng Tư lệnh Võ Nguyên Giáp ra đón.

Sau khi về nước, Biên đội trực chiến đầu tiên được thành lập. Ông được phân công vai trò bay số 1 và là Biên đội trưởng. Trong vai trò này, ông cùng các phi công tập luyện các kỹ thuật bay trên bầu trời Bắc Việt Nam để chuẩn bị cho các cuộc giao chiến sau này. Tháng 1 năm 1965, ông được bổ nhiệm giữ chức vụ Chủ nhiệm dẫn đường Trung đoàn Không quân 921, hàm Trung úy.