Sau khi hòa bình được lập lại trên miền Bắc, tháng 9 năm 1956, ông được tuyển chọn để đào tạo phi công và được đưa sang học ở Trung Quốc về máy bay tiêm kích Mikoyan-Gurevich MiG-17. Sau 4 năm học tập, ông trở thành Đại đội trưởng Đại đội 2 huấn luyện, tiếp nhận và hướng dẫn các phi công mới sang học tại Trung Quốc. Mãi đến tháng 5 năm 1964, ông mới về nước và đến tháng 8 năm 1964, ông được cử làm Đại đội trưởng Đại đội 1, Trung đoàn 921 - Đoàn Không quân Sao Đỏ, cấp bậc Đại úy.[3]

Ngày 3 tháng 4 năm 1965, ông tham gia vào trận đánh đầu tiên của Không quân Nhân dân Việt Nam, tấn công các máy bay của Hải quân Mỹ đang tập kích vào khu vực cầu Hàm Rồng – một cây cầu huyết mạch, yết hầu trên tuyến chi viện Bắc Nam.

Theo kế hoạch dự kiến của các chỉ huy Không quân Việt Nam, các máy bay Mỹ sẽ xuất phát từ hàng không mẫu hạm, qua điểm kiểm tra Hòn Mê để tập kích vào khu vực Hàm Rồng. Do đó, một biên đội do Đại úy Trần Hanh chỉ huy gồm Số 1 (mã hiệu 01) - Trần Hanh và số 2 (mã hiệu 03) - Phạm Giấy, sẽ làm nhiệm vụ nghi binh, xuất phát từ Nội Bài, bay dọc đường số 1, tiến về Nho Quan, sau đó sẽ bay chờ ở Cẩm Thủy để dẫn dụ tiêm kích đối phương rời xa khu vực chiến đấu. Sau đó, biên đội công kích do Phạm Ngọc Lan chỉ huy gồm số 1 (mã hiệu 05) - Phạm Ngọc Lan, số 2 (mã hiệu 06) - Phạm Văn Túc, số 3 (mã hiệu 07) - Hồ Văn Quỳ, số 4 (mã hiệu 08) - Trần Minh Phương, sẽ bay thấp dọc ven núi để tránh rada đối phương, theo hướng Tam Điệp, tiến vào khu vực chiến đấu từ hướng Hà Trung, lợi dụng thời cơ để tấn công. Trung tá Hoàng Ngọc Diêu được giao nhiệm vụ chỉ huy toàn bộ trận đánh.

Vào lúc 7 giờ, các đài rađa cảnh giới Việt Nam phát hiện một tốp máy bay Mỹ bay vào trinh sát khí tượng và mục tiêu. Lúc 9 giờ 40 phút, 60 lần máy bay cường kích các loại của Hải quân Mỹ cùng lúc bay vào đánh phá cầu Tào, cầu Đò Lèn và cầu Hàm Rồng. Lúc 9 giờ 47, biên đội nghi binh và yểm hộ cất cánh. Một phút sau biên đội tiến công cũng cất cánh theo kế hoạch đã dự kiến.

Chiến thuật của phía Việt Nam đã thành công. Phi đội Phạm Ngọc Lan bắn rơi hai chiến F-8 Crusader của Hải quân Mỹ. Trừ Phạm Ngọc Lan phải hạ cánh khẩn cấp trên bãi bồi sông Hồng, toàn bộ các phi công đều trở về an toàn.

Phán đoán ý đồ Mỹ sẽ tiếp tục đánh phá cầu Hàm Rồng vào ngày hôm sau, 4 tháng 4 năm 1965, các chỉ huy không quân Việt Nam quyết định cho các máy bay Việt Nam tiếp tục công kích vào các máy bay của Không quân Mỹ. Theo phương án chiến thuật, 3 biên đội sẽ được sử dụng, trong đó có một biên đội dự bị. Biên đội nghi binh cất cánh trước, bay ở phía tây khu vực chiến đấu để thu hút tiêm kích đối phương và sẵn sàng yểm hộ biên đội công kích khi cần thiết. Biên đội tiến công xuất kích sau, bay thẳng theo hướng đông - nam đến khu vực chiến đấu sẽ vọt lên chiếm độ cao giành ưu thế chiến thuật, sau đó tấn công thẳng vào đội hình F-105. Thượng tá Nguyễn Văn Tiên, Phó tư lệnh Quân chủng làm chỉ huy trận đánh, Trung úy Đào Ngọc Ngự làm hoa tiêu dẫn đường tại sở chỉ huy.

Lúc 10 giờ 20 phút, biên đội nghi binh do Lê Trọng Long (số 1), Phan Văn Túc (số 2), Hồ Văn Quỳ (số 3), Trần Minh Phương (số 4) cất cánh. Biên đội bay ở độ cao 8.000 mét trên vùng trời Vụ Bản, Phủ Lý làm nhiệm vụ nghi binh. Lúc 10 giờ 22 phút, biên đội tiến công gồm Trần Hanh (số 1), Phạm Giấy (số 2), Lê Minh Huân (số 3), Trần Nguyên Năm (số 4) xuất kích, bay thấp ra hướng đông rồi bất ngờ ngoặt vào hướng đông nam, tránh bị ra đa đối phương phát hiện, khi đến khu vực chiến đấu, thì bay vọt lên, chiếm độ cao có lợi. Lúc 10 giờ 30 phút, Trần Nguyên Năm báo cáo phát hiện tốp F-105 mang bom tấn công cầu Hàm Rồng, Thanh Hóa do Thiếu tá Frank Everett Bennett dẫn đầu.

Trận không chiến diễn ra rất nhanh. Dù có ưu thế với hơn 50 máy bay cả tiêm kích F-100 và cường kích F-105, hai chiếc F-105 vẫn bị MiG-17 bắn trúng. Chiếc F-105D số hiệu 59-1754 của Không đoàn tiêm kích 355, do Đại úy James Alan Magnusson điều khiển bị Trần Hanh bắn trúng, bị rơi trên đường thoát ra biển[5]. Chiếc còn lại do Thiếu tá Frank Bennett lái, bị Lê Nguyên Năm bắn trúng, dù cố gắng bay về và hạ cánh khẩn cấp xuống sân bay Đà Nẵng nhưng vẫn bị rơi và nổ tung. Cả hai phi công đều chết.[3]

Tuy nhiên biên đội của Trần Hanh không may mắn như biên đội của Phạm Ngọc Lan ngày hôm trước. Ba chiếc MiG-17 đều bị rơi. Một chiếc do Lê Minh Huân lái rơi gần bờ biển Sầm Sơn. Hai chiếc còn lại, do Phạm Giấy và Trần Nguyên Năm lái, bị rơi ở gần khu vực cầu Hàm Rồng. Cả ba chiếc đều không có ghi nhận nào bị bắn rơi từ phía Mỹ, có khả năng bị chính súng phòng không của Việt Nam bắn rơi.[6]

Riêng Trần Hanh do cố gắng thoát khỏi sự truy đuổi của các máy bay F-100 Super Sabre hộ tống đã bị hết dầu và hỏng la bàn nên phải hạ cánh xuống lòng một con suối cạn thuộc bản Ké Tằm, huyện Quỳ Châu, tỉnh Nghệ An[7]. Cũng như Phạm Ngọc Lan, ông cũng bị dân quân vây bắt, sau đó nhận ra ông là phi công Việt Nam nên đã đưa về chăm sóc.

Trong những năm sau đó, ông vẫn tiếp tục chỉ huy biên đội giao chiến với máy bay Mỹ, trong đó có một lần chỉ huy biên đội 4 MIG-17 bắn hạ máy bay trực thăng Mỹ trên bầu trời Hòa Bình tháng 11 năm 1966.[8].