日军波田旅团在海军火炮的配合下经历半个多月的战斗，击破第三战区刘兴指挥的江防军，于7月5日攻占湖口。在日军发动对鄱阳湖东第三战区各军进攻后，国民政府军事委员会即于6月14日任命陈诚为第九战区司令官，组织武汉和南昌的保卫战。陈即委薛岳为第一兵团总司令，指挥李汉魂、叶肇、欧震、俞济时、王敬久、李玉堂、李觉、陈安宝、商震、王陵基等军沿庐山山脉和鄱阳湖西岸布防，威胁沿长江西进敌人之侧背；委张发奎为第二兵团总司令，指挥李仙洲、甘丽初、刘膺古、张刚、孙桐萱、卢汉、万福麟等军沿九宫山脉布防，阻敌沿瑞昌至武昌公路前进。另以汤恩伯部第三十一集团军九个师为九战区的突击军，策应薛、张两兵团的作战。陈诚兼武汉卫戍总司令（后由罗卓英继任），部署李延年率部死守田家镇，阻塞长江，周碞率四个师守卫武汉周围要点。
7月14日，日军华中派遣军司令官畑俊六，发布中支作命甲第一号命令，其中有关武汉作战部分摘录于下：
（二）军在担任确保已占领地区的安定的同时，试图逐步向西获得地盘，攻占汉口；
（三）第二军应在担任作战境界内的江北地区和扬州以及津浦沿线地区的警备的同时，逐步将兵力向庐州附近集中，并伺机占领六安及霍山附近，准备以后的沿大别山北麓地区的作战。特别要对英山方向警戒；
（四）第十一军应攻占黄梅及九江附近，其次在扬子江右岸占领瑞昌、德安一线，然后将部队集中，准备以后向汉口及其南面地区的作战。应根据需要，准备以一部兵力成功地攻
占南昌。沿扬子江作战时，应与海军配合；
……
（七）各兵团的作战（警备）地区境界如下：华北方面军和第二军之间阜宁、盱眙、从怀远开始的淮河下游、怀远、颍州一线（线上为第二军）。第二军和第十一军之间宁国南部、南陵、繁昌、旧县镇（荻港东北三里）、大王庙（无为西南五里）、（桐城北端）。
铁炉坳（桐城西十三里），标高一千一百三十高地一线（线上属第二军）。但十一军可令其一部位于扬子江右岸第二军作战地区内。又，第二军为了集中和补给，可使用安庆-桐城的道路。
（八）第三飞行团主要使用南京、庐州、安庆、彭泽及潜山飞机场，分别以一部兵力协助第二军、第十一军作战，并应搜索攻击敌机。
7月31日，日军华中派遣军司令官畑俊六，侵中舰队司令官及川古志郎又签订陆海军联合作战协定，内容如下：
为攻占汉口作战，华中派遣军及中国方面舰队协定如下：
一、要领
1.华中派遣军以第十一军由扬子江方面，以第二军由大别山麓方面进行作战，在攻占武汉地方要地同时，尽可能大量消灭敌人。在此期间，航空兵团进行空中作战；
2.中国方面舰队以第三舰队进行扬子江的溯江作战，在击败当面之敌的同时，占领水路，协同陆军攻占武汉。在此期间，航空部队进行空中作战。
二、扬子江的溯江作战和鄱阳湖上的作战
1.第十一军攻占黄梅、九江附近后，在瑞昌、德安一线依次集中兵力，准备以后的攻击。
以后，以一部溯扬子江而上，又沿其两岸前进，直接攻占武汉地区的要地。主力沿扬子江右岸前进，然后切断粤汉铁路，且尽量捕捉和消灭敌人。
在攻占汉口之前或以后，在适当的时期，以一部攻占南昌。为此，除依靠陆路外，可利用鄱阳湖。
在以上作战中，扬子江溯江作战以及鄱阳湖作战应与海军配合。
2.第三舰队以其一部配合陆军溯江部队，尽快打开扬子江水路顺次到达上海，作好进击汉口的准备。尔后以主力打开扬子江水路，一举攻到武汉前面将其攻占。又，以根据地部队的大部及航空部队的一部，确保控制鄱阳湖内水域配合陆军部队攻占南昌。
7月下旬，冈村宁次指挥的溯江西上的部队开始行动。7月24日，稻叶师团的今村旅团由潜山出动，26日占领太湖。但由于在大别山长河河谷遭到韦云淞、张义纯、刘汝明等部的强抵，久战不能获胜，后又投入牛岛旅团，至8月1日始攻占黄梅，打开突入鄂东平原的通路。
（二）武汉会战始末
冈村宁次军的主力摆在江南。沿长江溯江西进的波田支队，于7月22日夜从湖口出发，在海军炮火的掩护下，突破庐山北面长江沿岸数道我国守军的工事，于23日下午四时攻入九江东南十公里的塔顶山南北一线。作为二线部队的松浦师团也于24日夜从姑塘登陆。接着两军发起总攻，击败防守沿江防线的第九战区李玉堂军，于26日晨攻占九江城。两军乘胜进攻，至7月底陆续夺取了狮子山、纱帽山等据点，基本上控制了姑塘、沙河、九江间的三角地带。接着冈村为夺取武昌，陆续抽调伊东、本间、吉住等师团向九江地区集结。原拟分兵两支迅速前进，但为减除侧背的威胁，于8月初派淞浦师团沿南浔路进攻。此路敌军进展极不顺利。当时陈诚派薛岳指挥第一兵团二十几个精锐师布防于庐山崇山峻岭和港汊交错的鄱阳湖畔，在南昌铺-沙河镇建立起一条巩固的防线。
8月4日黎明，淞浦师团开始进攻我国军队依托庐山北麓建立的防线，在大天山、马鞍山、金家山等阵地遭到李玉堂、李觉、欧震、李汉魂等军的顽强阻击。我国军队居高临下，而淞浦师团系征召大阪的小商人和职员占主要成分后备役兵组成的特设师团，战斗力极弱，必须军官亲自督率始能作战，故军官伤亡率高，战至9日，已被我军击毙联队长田中圣道和大队长田尼繁雄等三人，击伤联队长市川洋造和大队长获尾佐藏等四人，战事仍无进展。为了打开僵持的局面，冈村又于8月12日命令伊东师团发动对庐山南麓的进攻。伊东派伊藤旅团于19日在海军舰队的掩护下在鄱阳湖登陆，21日攻占星子，妄图夺取隘口，直趋德安，截断南浔正面守军后路，但遭到王敬久、叶肇两军的顽强阻击，虽将师团主力全部投入，亦不能获得进展。而8月10日在瑞昌东北港口强行登陆的波田支队，亦遭到张发奎指挥的孙桐萱集团军的阻击，只能保持滩头阵地。至于长江北岸，稻叶师团于8月2日攻下黄梅后，因安庆-潜山-黄梅的兵站线过长，为了防御大别山北麓我国军队的攻击，稻叶也不敢发动攻势。至此，冈村指挥的十一军战场已陷入胶着状态，只有等候援军到达九江和大别山北麓东久迩宫的第二军发动的攻势获得进展后，再重新发动对武汉的进攻。
大别山北麓的东久迩宫第二军系助攻部队，与长江沿岸西上的冈村宁次第十一军相呼应，沿淮河西进夺取信阳和武胜关，以拊武汉之背。当时冈村攻击长江沿岸甚急，李宗仁正抽调部队抄袭稻叶师团的后路，李品仙兵团曾于8月26日收复潜山、太湖。东久迩宫乃于8月20日下达了如下作战命令：
（一）第十师团在击败六安附近之敌后，急速进入光州附近，大致准备向信阳方面作战；
（二）第十三师团在击败当面特别是霍山附近之敌后，急速进入商城附近，大致准备向汉口北地区作战；
（三）第十六师团随着作战的进展，以一部担任固始（六安西北一百公里）叶家集（六安西五十公里）以东庐州之间的主要交通路线及附近要地的警备，同时逐步向固始附近推进。特别要派出以步兵约两个大队为基干的部队，作为先遣部队替换在舒城-桐城（包括在内）
之间的交通线，然后十三师团继续接过霍山附近的警备，令其警戒英山方面；
（四）第三师团在8月23日以后向江北移动，在庐州、桃镇（庐州西南四十公里）附近集结兵力，仍然继续担任江北津浦沿线地区的警备（由步兵第六联队主力担任）。
8月27日，筱塚、荻洲两师团分别从驻地出动，击败于学忠、冯治安两军。28日，筱塚师团占领六安。荻洲师团于29日占领霍山，9月2日占领叶家集，接着渡过史河，接近我国军队依托大别山峡口构筑的富金山等巩固阵地，当时李宗仁、白崇禧为阻止日军前进，部署装备精良的中央军宋希濂军守备这一阵地。日军荻洲师团也素以王牌军著称。两军当即展开激烈的战斗。经宋希濂军在田镇南军的协助下的顽强阻击，荻洲师团死伤惨重，再加上疟疾猖獗，一个步兵中队平均只剩下四十名战斗兵，战斗力大减。宋希濂部与荻洲师团拼战十余天，伤亡亦很大，其起家老本三十六师仅余八百五十余人。然富金山之役阻敌十余日不得前进，使孙连仲得以从容部署兵力，延迟了东久迩兵团的推进。
为了解脱荻洲师团的困境，东久迩于9月7日命令筱塚师团的濑谷旅团由黎家集南下，企图切断宋希濂军的后路，但在方家集北樟柏岭遭到田镇南军的阻击，濑谷的企图不能得逞，但濑谷亦咬住了田镇南军，便利了藤江师团于12日沿叶家集-方家集-商城大道攻击前进。加之于学忠、冯治安两军被牵制在六安、霍山一带不能回援，川军陈鼎勋军战斗力又弱，以致商城于16日失守。宋希濂、田镇南两军亦不得不放弃富金山和峡口阵地，向豫鄂边转移。
在荻洲师团被困于富金山之际，东久迩除派濑谷旅团南下增援外，又派筱塚师团的冈田旅团于8月29日夜强渡淠河冲向固始。当时固始守军只有宋希濂部一个团，张自忠派骑兵师应援不及，遂于9月6日夜被冈田旅团攻陷。荻洲师团解围后，濑谷旅团亦回归筱塚师团建制，然后筱塚师团于9月15日进攻光州，在光州附近与张自忠部展开激烈战斗，至17日攻陷该城。由于冯治安、张自忠两军未能在六安、霍山阻滞日军前进，而后方公路网未能来得及彻底破坏，故敌军进入豫南平原后得以纵横驰突，张自忠虽率部力战，接战数日，其五十九军即伤亡五分之三，卒因装备太差，地形又不利于防守，至18日潢川又被攻陷。
东久迩指挥所部攻陷商城、潢川后，除以筱塚师团沿信潢公路西进，夺取信阳拊武汉之背外，另集结荻洲、藤江两师团于商麻公路方面，妄图沿大别山西麓取捷径夺取武汉。李宗仁、白崇禧为打破日军的企图，除电蒋介石调胡宗南率三个师控制于信阳迎击筱塚师团外，并将前方撤回的孙连仲兵团所属各军部署在商城以南、经扶以东、麻城以北山地构筑阵地阻敌南下。9月20日，筱塚师团长命令冈田旅团进攻罗山，由于川军陈鼎勋军战斗力弱，21日即被攻陷。李宗仁命令胡宗南率三师中央军附野炮团和战车连围攻冈田旅团，夺回罗山。东久迩为击破胡军，除派筱塚率濑谷旅团和直属部队增援外，并派藤田率第三师团加入罗山战场。胡宗南军与日军多次交战，战死一万三千余人，终因装备不如日军，至10月6日筱塚师团进占柳林；9日藤田师团进占大洋河，11日攻占信阳，切断武汉通华北西北的大动脉。
沿潢麻公路进攻武汉的荻洲、藤江两师团，9月15日自商城出动，分头向宋埠、白果方向前进。18日藤江师团的筱原旅团进入沙窝以南地区；19日荻洲师团的沼田旅团也进入新店以北地区。当时李宗仁、白崇禧沿大别山西麓部署宋希濂军四十师固守沙窝-白雀园一线为左翼军，孙连仲师部三个师另一个旅及冯治安军张凌云师守小界岭-打船店一线为中央军，徐源泉部三个师守隘门关-松子关一带为右翼军。9月20日，藤江师团的筱原旅团开始向据守沙窝东西两侧高山的钟彬、钟松两师进攻，激战五六天，毫无进展。宋希濂即派沈发藻师于26日迂回到沙窝背后，切断筱原旅团与后方的联络线。为了解救筱原旅团，藤江师团长于27日率师团主力南下，击败沈发藻师，进入沙窝地区，然后集结全师兵力于10月6日开始向沙窝南宋军构筑的坚固阵地进攻。由于山势险峻，重火器不能发挥威力，敌军伤亡甚多，至10月9日才攻下部分山头，整个战线呈现胶着状态。荻洲师团于9月18日派沼田旅团进攻孙连仲军据守的新店，遭到田镇南军的包围攻击，不能进展。29日，荻洲率师团主力来援，击破黄樵松师的阻击，与沼田会师，然后于10月30日开始总攻击，依次攻占张金照、池峰城等师据守的打船店等阵地，9日夜日军进入新店。孙连仲军转移到金鸡岗、黄土岭等阵地继续阻击敌人前进。荻洲师团在飞机的掩护下陆续进攻孙军阵地，每前进一步即付出不少伤亡，直到22日始越过豫鄂省界。藤江师团经过整顿后，于10月15日又开始向宋希濂军发动进攻，连续夺取钟松、沈发藻师据守的白云山、石板岗等阵地，于24日突破省界。由于进占信阳的日军筱塚、藤田两师团于10月中旬起陆续向武胜关、平靖关前进，胡宗南、罗卓英两军均不能阻止，宋希濂、孙连仲两军亦奉命向平汉路西转移。荻洲、藤江两师团于26日在麻城地区会师，分别在江汉平原展开，截击撤退的李品仙兵团后卫部队，至10月底与信阳南下的筱塚、藤田两师团分别在广水、花园、孝感等地会师，完成了对武汉的战略迂回。