در سال 1351  به ایران بازگشت و در پایگاه هوایی تهران مشغول به خدمت شد. پس از مدتی به پایگاه هوایی بوشهر می‌رود و مسئولیت دایره عملیات گردان شکاری این پایگاه را نیز بر عهده می‌گیرد.
 اواخر بهمن سال 1357 محمود خضرایی در جریان تصرف  تصرف کلانتری خیابانِ گرگان تهران از ناحیه دست گلوله می خورد.
پس از پیروزی انقلاب اسلامی ، خضرایی اولین تجربه خود را در دفاع از انقلاب اسلامی ، در کنار شهید چمران  تجربه کرد و طی نبرد با ضدانقلاب در کردستان ، به عنوان افسر کنترل کننده زمین خدمت کرد.
جنگ با بعثیان عراقی که آغاز شد ، خضرایی به پایگاه هوایی همدان منتقل شد و پروازهای جنگی خود را آغاز نمود.
در یکی از همین پروازها هواپیمای او مورد هدف قرار می گیرد ولی جنگنده را را درحالی که یک چرخ نداشت به زمین می نشاند.
محمود خضرایی در اواخر سال 1363 به سمت فرمانده مرکز آموزش های هوایی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران منصوب شد و تا زمان شهادت در همین پست خدمت می کرد.
در تاریخ 10 اسفند ماه سال 1364 ، هواپیمای مسافربری حامل سرهنگ محمود خضرایی و جمع دیگری از مسئولان لشکری و کشوری که  از بازدید مناطق عملیاتی والفجر 8 ، بازمی گشتند ، مورد هدف جنگنده های ارتش بعثی قرار گرفت و سرهنگ ، بال در بال ملائک گشود.
هنگامی که پیکر محمود را پیدا کردند ، در یک دست تسبیح و درلابه لای انگشتان دست دیگرش ورقه های قرآن بوده است.
آن چه خواهید خواند ، دو خاطره ی شنیدنی از سال های حیات آن عقاب تیزپرواز ارتش حزب الله است:

ساعت 4 صبح صدای آژیر اضطراری شنیده شد. بلافاصله به اتفاق خضرایی به پرواز در آمدیم.هنوز در آسمان بودیم که  هوا درحال روشن شدن بود. محمود گفت:

- موافقی نماز را همین جا بخوانیم؟

گفتم: خیلی خوبه، از این بهتر نمی شه.

گفت: پس اجازه بده با رادار صحبت کنیم و به سمت قبله پرواز کنیم.

پس از هماهنگی با رادار، سمت قبله را برگزیدیم. ابتدا او نمازش را خواند و آن گاه من هم نمازم را بجا آوردم. پس از ادای نماز، او با صدای گیریایش با خدای خود مشغول مناجات شد و آن گونه ملتمسانه سخن می گفت که من را هم تحت تاثیر قرار داد.
این نماز یکی از نمازهای منحصر به فردی بود که هرگز آن را فراموش نمی کنم.
چقدر دل انگیز و زیباست خلوت با خدا در دل آسمان، گویی روحمان نیز همچون جسم پرواز می کرد و خدایی شده بود. انگار به زمین تعلق نداشتیم و دوست داشتیم برای همیشه در آسمان پرواز کنیم. »

و خاطره دوم:

در جریان یکی دیگر از عملیات های بزرگ نیروی هوایی که سرهنگ خضرایی در آن حضور مستقیم داشت ،هنگام بازگشت هواپیمای او مورد هدف موشک زمین به هوا قرار می گیرد. وی با سختی هواپیما را تا ایران هدایت می کند و در آن جا اقدام به خروج اضطراری از هواپیما می کند که به دلیل برخورد دستش با کابین در هنگام خروج اضطراری، دچار شکستگی دست می شوند.
بعد از این ماجرا او به همراه تعدادی از خلبانان نیروی هوایی برای تجدید بیعت و دیدن حضرت امام (ره) به جماران می روند. در بیت امام (ره)، او چون دچار شکستگی دست شده بود، دست آسیب دیده را به گردن آویزان کرده بود.
حضرت امام (ره) رو به او می کند می فرماید:

- پسرم چی شده؟ دستت چه شده؟

خضرایی در پاسخ عرض می کند:

- هواپیمایم مورد اصابت قرار گرفته و سقوط کرده ام.

حضرت امام تاملی می کنند و می فرمایند:

- پسرم ، شما سقوط نکردی، شما صعود می کنی!

شهید خضرایی به آرزوی دیرینه خود رسیده بود. او بارها می گفت:

- من دوست ندارم که بر روی زمین بمیرم، دوست دارم تا در آن بالا بمیرم.

روحمان با یادش شاد