وی در سال 1345 موفق به اخذ مدرک دیپلم ریاضی شد و همان سال وارد دانشکده افسری نیروی زمینی شد و در سال 1348 به درجه ستوان دومی مفتخر گردید.
با شروع جنگ تحمیلی از سوی عراق، خضرایی نیز به عنوان یکی از خلبانان باتجربه نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران به پایگاه هوایی همدان منتقل شد و پروازهای جنگی خود را آغاز کرد.
در یکی از این پروازها هواپیمای او مورد هدف قرار می‌گیرد ولی خضرایی با مهارت بالایی که در فن خلبانی داشت، هواپیما را درحالی که یک چرخ نداشت به زمین می‌نشاند.
در سال 1362 خضرایی از سوی فرماندهی نیروی هوایی به سمت فرمانده پدافند هوایی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران منصوب شد و این انتخاب به این دلیل بود که او قبل از آن که یک خلبان باشد، یک افسر کنترل شکاری نیز بود و اشراف خوبی بر پدافند داشت. در مدت حضور خضرایی در این سمت، خدمات قابل توجهی در پدافند داشت.
در اواخر سال 1363 به سمت فرمانده مرکز آموزش‌های هوایی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران منصوب شد و تا زمان شهادت در همین پست خدمت می‌کرد.
صبح روز اول اسفند سال 1364 خضرایی در حال ترک منزل، از همسرش وصیتنامه‌اش را طلب می‌کند و آخرین تغییرات را در آن اعمال می‌کند.
با عزیمت به فرودگاه مهرآباد تهران، هواپیمای سی130 به مقصد اهواز به پرواز درمی‌آید. همه چیز به خوبی پیش می‌رفت که ناگهان اهواز مورد حمله هوایی قرار می‌گیرد و یکی از جنگنده‌های دشمن در آستانه ظهر هواپیمای حامل آنها را در آسمان شهر اهواز هدف قرار می‌دهد و تمامی نفرات حاضر در هواپیما شهید می‌شوند و به ملکوت اعلی می‌پیوندند.
خضرایی به آرزوی دیرینه خود، شهادت، رسیده بود. او بارها می‌گفت: من دوست ندارم که روی زمین بمیرم، دوست دارم تا در آن بالا بمیرم.