翁心翰是著名地质学家翁文灏先生的次子。1938年12月1日,翁心翰以优异的成绩毕业于中央空军军官学校第八期飞行科驱逐组,证书是“驱字第21号”。最初,翁心翰被分配到第三大队任飞行员,负责成、渝上空防御,保卫陪都重庆。1939年5月,一次战斗正在进行之时,他驾的飞机突然发生故障,翁心翰凭借高超的技术,沉着处置,人机均安全返回,因此被传令嘉奖。1940年夏,日本为尽快结束侵华战争,制定了代号为“101号作战”的陆海军联合空袭作战计划,集中近300架飞机,对大后方重要城市实施持续大规模轰炸。翁心翰也频繁升空,与敌交战,7月24日在成都上空的战斗中,因击落敌重型轰炸机一架,被记功两次。在参加了第二次世界大战中首次对日本零式战斗机的大规模空战后,翁心翰被调往第11航空大队,从事航空士官的训练工作,以后又曾被调往印度,接受美国P—36型飞机的训练。1944年2月,26岁的翁心翰与周勤培在重庆家中结婚,航委会主任周至柔亲任证婚人。婚后,上级欲派他到运输大队去工作,但被他坚决地谢绝了,他不愿因为是部长的儿子而受到特殊的照顾。战争尚未结束,他更不愿离开战斗的岗位。他常说:“我从不想到将来战后怎样,在接受毕业证书的时候,我就交出了遗嘱。我随时随地准备着死。”
1944年4月日军发动“一号作战”后,中国空军连续出动,战斗异常频繁激烈。翁心翰已晋升为空军上尉,任第11大队驱逐机中队副中队长。这年8月31日,他以领导训练热心负责被记功一次。 9月8日他率队进驻湖南芷江,负责空中阻截入犯日军。翁心翰进入抗战以来最激烈的战斗状态,每天升空数战,最多时“曾于二日之内领机往战八次之多”。