江苏医学院肄业，黄埔军校第四期、中央航空学校第一期毕业，曾赴德、意航空学校深造。初任笕桥中央航校教官、蒋介石座机副驾驶、分队长、中队长，1938年任空军第十四队队长，此后历任国民政府第六重轰炸大队大队长、八大队大队长、中美空军第五混合团（即第五大队）副司令、兰州（第三军区）地区司令、联队长、空军总部署长，国防部总务局长、驻苏武官。1949年赴台，曾任蒋介石侍从室主任，空军总部主任、参谋长、副总司令等，1963年接任空军总司令，四年后卸任，后任中华航空公司董事长、国民党中央评议委员。1984年3月4日病逝于台北。
抗日战争中，徐焕升曾因1938年首次驾机飞往日本本土投撒揭露日本帝国主义侵华罪行的《告日本人民书》而闻名全国。
