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民国二十七年（1938年）6月中旬，国民政府军委会制定了保卫武汉的作战计划，也规定了战略方针，其中心思想是立足外线，保持部队高度的机动性，利用地形和工事，逐次抵抗消耗日军，以空间换时间，最后转变敌攻我守的战争态势。按此计划，蒋介石自任总指挥，调集第五、第九战区全部兵力和海空军各一部，沿大别山、鄱阳湖和长江两岸，组织防御，准备持久作战。主要目的一在于以空间换取时间，内、外战线结合，消耗、挫败敌人；二是及早内迁工厂、内运物资、整备军队、加紧生产，作长期抗战准备；三是争取国际上同情和支援，期待国际战场的开辟以彻底战胜日军。
这时，国共两党为了抵御民族大敌，进一步加强合作。7月6日，在武汉召开了国民参政会第一届会议。大会庄严宣告：“中国民族必以坚强不屈之意志，动员其一切物力、人力。为自卫，为人道，此穷凶极恶之侵略者长期抗战。以达到最后胜利之日为止，”要求全国军民“一切的奋斗，要巩固武汉为中心，以达成中部会战胜利为目标”中国人民要保卫武汉，坚持抗战，日本侵略者要夺取武汉。结束战争，这就构成了当时中日双方在战略上的一场决战。
武汉地处江汉平原，是平汉、粤汉铁路的交会点。1937年11月国民政府部分机构由南京迁至武汉后，该地实际成为中国军事、政治、经济的中心，战略地位十分重要。日军大本营陆军部在日军占领南京后，就开始研究攻占汉口的作战，但由于各方面条件的限制，暂时搁置。1938年4月初，日军大本营决定实施徐州会战时，亦决定实施武汉作战，在制定徐州会战计划时，即“预想到会战以后的形势并把将来进行武汉作战也考虑进去。”5月底，日军大本营陆军部决定了在当年秋季进行汉口作战。6月15日，日本御前会议正式决定实施攻占武汉的作战。
在徐州失守后，国民政府军事委员会为增强指挥机构与作战能力，决定调整作战序列，于1938年6月中旬新编第9战区。同时决定以第5、第9两个战区所属部队保卫武汉。参加武汉保卫战的部队以及空军、海军，总计14个集团军、50个军，作战飞机约200架，舰艇30余艘，总兵力近110万人。各兵团部队自6月开始分别利用鄱阳湖、大别山脉等天然屏障，组织防御，保卫武汉。苏联援华志愿航空队参加了这次会战。
第九战区司令长官陈诚指挥27个军负责长江南岸的作战，第一兵团薛岳所部防守南浔线，并沿鄱阳湖配置兵力，以南昌为基地，以外线之势击破西进日军，防止日军进攻南昌及迂回长沙；第二兵团张发奎所部确保九江至瑞昌线正面，并沿江构成阵地带，防止日军由瑞昌西进，直趋岳阳、蒲圻、咸宁；汤恩伯军团控制于各重要据点之间，以便随时策应一线作战。第五战区司令长官李宗仁（7月中旬～9月中旬由白崇禧代理）指挥23个军负责江北作战，命第四兵团李品仙所部为右翼兵团，利用长江北岸大别山南麓丘陵湖沼的有利地形遏敌取捷径攻略武汉；以第二十一集团军廖磊所部为中央兵团，布置于太湖、潜山西北山地，相机南下侧击西进之敌；以第三兵团孙连仲所部为左翼兵团，控制于大别山北麓与淮河之间，利用地障，重在阻敌迂回武汉之北；命第二十四集团军韩德勤所部担任敌后游击；以第二十九集团军王缵绪所部为第二线兵团，策应一线作战。另以第一战区在平汉铁路（今北京一汉口）的郑州至信阳段以西地区，防备华北日军南下；第三战区在安徽芜湖、安庆间的长江南岸和江西南昌以东地区，防备日军经浙赣铁路（杭州一株洲）向粤汉铁路（广州一武昌）迂回。这种战略部署，体现了以外线进攻为主，阵地防御和游击为辅的战略防御格局，总体上看，是符合持久战的战略要求的。
中华民国二十七年（1938年）5月，日军攻陷徐州后，积极准备扩大侵略战争。决定先以一部兵力攻占安庆，作为进攻武汉的前进基地，然后以主力沿淮河进攻大别山以北地区，由武胜关攻取武汉，另以一部沿长江西进。后因黄河决口，被迫中止沿淮河主攻武汉的计划，改以主力沿长江两岸进攻。4日，日军华中派遣军调整战斗序列，由其司令官畑俊六指挥第2、第11军共约140个大队25万兵力负责对武汉的作战。以冈村宁次指挥侵华日军第十一军5个半师团沿长江两岸主攻武汉；东久迩宫稔彦王指挥第2军4个半师团沿大别山北麓助攻武汉。以及海军及川古志郎第3舰队120余艘舰艇，日本第一个飞上天的飞行员德川好敏的航空兵团500余架飞机，另以华中派遣军直辖的5个师团分别担任对上海、南京、杭州等地区的警备任务，以巩固后方，保障此次作战。
根据日本御前会议的决定和日本政府的已定方针，6月18日，日军大本营以大陆命令第119号下达了实施汉口作战的准备命令。日军根据大本营指示，将徐州会战后正在豫东、皖北地区的第10、第16、第9、第13、第6等师转移南下，集结合肥地区。又从华北及日本国内调遣部队，以加强华中方面冈村宁次指挥的第11集团军，增强逆江作战兵力。
为了进行武汉作战，日军大本营在华中地区集中14个师团的兵力。直接参加武汉作战的是第2军和第11军共9个师团的兵力，约25万余人，以及海军第3舰队、航空兵团等，共有各型舰艇约120艘，各型飞机约300架。
波田支队（台湾混成旅）由芜湖溯江西进，中华民国二十七年（1938年）6月11日夜，波田支队趁雨夜突袭安庆，川军27集团军杨森部作战不力，一夜间就被逐出城外，蒋介石大怒，致电杨森，“轻弃名城，腾笑友邦”。要他反攻安庆，杨森回电，徐源泉的26集团军档不住日军第六师团的攻击，暴露了他的侧背，他不得已才退出安庆，这事也就不了了之。
波田支队在攻占安庆后，继续搭乘海军舰艇沿长江西进，6月下旬抵达了江防要塞马当的封锁线外。马当要塞由德国军事顾问设计，国军经营了几个月，耗资无数，坚固异常，是阻拦日本海军的坚固堡垒，蒋介石对它寄于厚望，认为它至少能阻止日军攻势一个月左右。日本海军首先试图从江上打开通道，无奈水雷、沉船和人工暗礁太多，而且扫雷艇在守军的炮火下也无法扫雷。见江上行不通，日军就改为陆路迂回进攻，而马当要塞附近守军为李韫珩的16军，两周前，李韫珩不知哪根筋搭错了，大敌当前竟然还办了一个为期两周的“抗日军政大学”。6月24日，李韫珩还大肆铺张地办了一个隆重的结业典礼，邀请了16军各级军官和当地士绅参加。日军肯定事先得到了这个情报，于是6月24日凌晨，在16军的防地东流登陆成功，然后顺利地攻下了既无准备，又无主官指挥的香山、香口等地。还好，防守马当要塞长山核心阵地的海军陆战队2大队没有派人参加结业典礼。在总队长鲍长义的指挥下，2大队顽强抵抗，打退了了波田支队的三次大规模集团冲锋。
鲍长义这边打得昏天暗地，李韫珩那边结业典礼则开得隆重得很，讲完话之后又有用餐，喝得一塌糊涂。见16军暂时指望不上，鲍长义赶紧发报给在武汉的老上司谢哲刚。谢哲刚一看电报，吃惊不小，立马报告了蒋介石，同时还紧急请空军出动。蒋介石看了谢哲刚送来的电报，更是大吃一惊，马上打电话给在田家镇视察的白崇禧，让他想办法。白崇禧很快就反应过来，看了一下地图就马上打电话到彭泽的167师，要师长薛蔚英立刻率部增援长山。这边李韫珩和鲍长义通过电话后也反应过来了，这么巧也一个电话打到167师。薛蔚英一下子接到了两个不一样的命令，白崇禧命令他从公路火速驰援，李韫珩则叫他走小路。面对两个不一样的命令，薛蔚英想了很长时间，最后出于对老杂牌白副总长的鄙视，选择了听李韫珩的走小路。这边鲍长义的2大队在坚持了两天后，伤亡已经过半，而且炮弹也打光了。为了避免全军覆没，2大队不得不撤离阵地。日军占领长山阵地后，16军一度反击，但很快就失败了，连马当炮台也跟着丢了。
蒋介石见自己希望能守一个月的马当竟然连一周都没守到就丢了，连夜把九战区司令长官陈诚叫过去骂了一顿。陈诚立马命令16军和49军反攻马当。日军依托马当坚固的一级国防战备工事顽强抵抗，使国军的进攻屡屡受挫、伤亡惨重，陈诚不得不命令停止进攻，退守彭泽。蒋介石对这个结果实在是太不满意了，李韫珩被撤职查办，薛蔚英被枪毙。
波田支队在打退国军反扑后，与来增援的106师团一起直扑彭泽，彭泽失守。见情况严重，陈诚严令驻扎湖口的李汉魂64军反攻彭泽。经过一番拉据战，日军不但打退了李汉魂的进攻，还乘势扑向了湖口，湖口陷落，64军退往九江。占领湖口后，疲惫不堪的日军休整了十几天，22日继续出发向下一个江防重镇九江挺进。23日凌晨，日军又故伎重演，冒雨潜入鄱阳湖，终于在姑塘以南的预11师登陆成功。守军不知什么原因，日军12点就已经登陆了，直到四点才报告上面呼叫增援，后面来援的顾家齐128师又是一支由湘西土著改编而成的，碰上日军没打几下就被打得溃散而逃。稳固登陆场后，106师团在舰炮掩护下向纵深推进，配合正面进攻的波田支队包围九江。见整体态势不利，张发奎命令第2兵团转进，放弃九江，退往二线阵地金官桥一带防守。
长江南岸作战攻战九江后，南岸的日军兵分两路，松浦的106师团则沿南浔路攻向德安。波田支队和海军陆战队搭乘海军舰艇继续沿江西进，攻击下一个要点瑞昌；8月11日，在瑞昌东北的港口强行登陆成功，并击破守军孙桐萱的第12军的反击，向瑞昌进攻。第3集团军在汤恩伯第32军团增援下奋力抗击。8月下旬，日第9师团也在在舰艇的护送下抵达瑞昌，前锋第6旅团登陆后一路势如破竹，连下鲤鱼山、笔架山等要地，8月24日攻占瑞昌。占领瑞昌后，丸山政男的第6旅团本应该往西南攻击，切断粤汉铁路，可是看到南浔路106和101师团竟然被薛岳的第1兵团打得寸步难进，觉得不可思议，一多事就杀了过来。丸山率部进入岷山山脉，直插南浔路正面守军的背后。防守岷山的是川军王陵基部是保安队改编的，战力薄弱，一触即溃，薛岳还以为川军谎报军情，就命令74军派一个团去驱赶岷山之敌，掩护南浔路正面守军侧背的安全。74军派去的一个旅差点被包了饺子。151旅周志道立马回过味来，一面率部队边打边撤。王耀武接到报告也害怕151旅有什么不测，急忙率51师其它部队前往支援，谁知51师一起上也不是对手。51师被打得节节后退，俞济时这时终于搞清了敌人的兵力和番号，也急忙率74军其它全部部队赶往支援。但还是不支节节败退。到9月3日，丸山支队占领回马岭，南浔路正面守军第4军、64军、18军等部侧背受威胁被迫撤退，退到下一道防线乌石门阵地继续坚守。丸山来如狂潮的攻势终于被顶住了。丸山旅团自己回瑞昌会合第9师团归建和波田支队继续沿长江西进，同时以第27师团向箬溪方向进犯。第30集团军和第18军等部在瑞昌-武宁公路沿途地区逐次抗击，相持月余，至10月5日，日军第27师团攻占箬溪后，转向西北进攻，18日陷湖北辛潭铺（属阳新），向金牛（今属大冶）方向进犯。在此期间，守军第31集团军和第32军团等部在瑞昌以西地区节节抵抗沿长江西进的日军，田家镇对面的富池口要塞也因为18师师长李芳郴弃职潜逃，军心动摇，于9月24日失陷，日本人终于打开了通向武汉的长江水路。第2兵团组织第6、第54、第75、第98军和第26、第30军团等部在阳新地区加强防御，战至10月22日，阳新、大冶、鄂城（今鄂州）相继失守，日军第9师团和波田支队向岳阳急进，以其截断粤汉铁路。
当西进日军进攻瑞昌的同时，第106师团从九江沿南浔铁路（南昌-九江）南犯。守军第1兵团第29军团李汉魂和欧震第4军、李玉堂第8军等部依托庐山两侧及南浔铁路北段的有利地形进行顽强抗击，日军进攻受挫。只好转攻70军李觉的金官桥阵地，谁知的70军依托庐山上的天险顽强抵抗，松浦的进攻又受挫了。冈村宁次命日军第101师团从湖口横渡鄱阳湖增援，突破第25军王敬久防线，攻占星子，协同第106师团企图攻占德安，夺取南昌，以保障西进日军的南侧安全。第1兵团总司令薛岳以叶肇第66军、俞济时第74军、第4、陈宝安第29军等部协同第25军在德安以北的隘口、马回岭地区与之激战，双方成胶着状态。国军击伤日101师团长伊东政喜。
9月底，见南浔路进展如此慢，冈村急得要命。通过空中侦察他发现经过一个月的激战，南浔路与瑞武路之间的防守间隙越来越大，这时派一支奇兵从这个缝隙穿过去突然出现在守军的背后，那么南浔路正面20万中国守军就有可能被日军的三个师团合围。冈村亲自为松浦筹划了一切，他把106师团分成五部分，以便能隐蔽地穿过国军防线的缝隙以及在受攻击能相互支援。106师团正式开始行动，进至德安西面万家岭地区，因地图失误而迷路。被薛岳发现指挥第4、第66、第74军等部从侧后迂回，将其包围。日军第27师团一部增援，在万家岭西面白水街地区被第32军等部击退。国军发起总攻，激战三昼夜，多次击败日军反扑。日军为了挽回106师团全军覆没的败局，向万家岭地区空投了200多名军官，希望能恢复一线作战部队的指挥，但是没有一个军官活着见到106师团就被消灭。随后薛岳组织全线攻击，各部组成敢死队，光着上身，冲入敌营，摸到穿着衣服的日军就是一刀。日军由于孤立无援，补给断绝，战至10日，日军第106师团被歼3000余人，这是赣北地区主要作战中歼敌最多的一役，史称“万家岭大捷”。第106师团在连遭两次歼灭性打击之后已失去进攻能力，即在南浔路北段地区担任守备任务，进行休整补充，原定与第101师团进攻南昌的任务被迫取消。万家岭大捷后，正当薛岳兵团重新部署之际，被阻于隘口以东的日军第101师团不断向德安以北隘口一带实施小规模的攻击，企图牵制薛岳兵团的行动。武汉撤守以后，薛岳兵团主力向修水以南转移，日军乘虚向德安发动进攻。当时担任德安城及附近地区防守的是第32军的第139师（附第141师的第723团）。日步兵、炮兵、航空兵协同，猛攻德安城北的义峰山。第139师第716团团长柴敬忠阵亡。阵地失守，日军攻入城内。第723团团长王启明率所部坚守城内东南城区，与日军进行巷战，逐屋争夺，寸土必争，并组织反击，一度将突入城内的日军击退，坚持战斗3昼夜方奉令撤出。此事颇为当时舆论所称颂，冯玉祥曾作诗赞之。
在整个赣北地区的作战中，第1兵团较好地完成第九战区所赋予的阻止日军向南扩展的任务，不仅打破了日军攻占武昌的企图，而且给日军第11军的第106、第101师团以歼灭性打击，为武汉会战争取了时间。
民国二十七年（1938年）6月初，日军第六师团从合肥南下；突破了徐源泉26集团军的防御，13日攻占桐城后，转向西南方向进攻，17日陷潜山。至7月初，日军在江北占领太湖、望江以东，在江南占领江西湖口以东的长江沿岸地区。
7月24日，侵华日军第十一军第6师团在稻叶四郎指挥下从安徽潜山向太湖进攻，一路血战，相继突破第31、第68军、84军防线，先后攻占太湖、宿松、8月4日经过激烈的巷战终于占领了广济的门户黄梅。丢掉黄梅后，五战区代理司令白崇禧立即指挥部队反击，但日军据险死守，还施放大量毒气，硬攻惨失惨重。见强攻不行，白崇禧就调部队侧击日军的后方，李品仙兵团收复太湖、潜山，切断了日军第6师团的陆上补给线和陆上退路，使稻叶处境艰难。白崇禧抓住机会，指挥正面对峙的28军、84军等部队趁机猛攻，意图全歼曾在南京大屠杀中犯下累累罪行的第6师团。这一回白崇禧的布局虽然高明，但还是低估了日军的战斗力。第6师团据险死守，同时施放大量毒气，死撑硬顶渡过了难关。冈村也立刻派遣海军在九江对面的小池开辟了补给通道，为第6师团被给弹药和补充兵员。稻叶得到补充后，开始反攻，白崇禧虽然亲临前线督战，但也于事无补。在日军的猛攻下，28军、68军和84军伤亡惨重，而且预备队用尽，但还是无法扼止日军的攻势，被迫向广济撤退。日军见守军撤退，立马尾随追击到了广济，在广济又是一番激烈的厮杀，国军最后不支撤退，田家镇的门户广济失守。经过这场惨烈的战斗，第6师团损失惨重，无力继续进攻，在广济就地休整7天，并补充了新兵3200人后，兵员和装备。
接着，稻叶第6师团先以一个旅团攻击东界岭，试图单独从公路西进，可是遇到顽强抵抗、屡屡碰壁，不得不回头于9月15日派今村支队从广济出发，开始来砸田家镇的大门了。田家镇是长江最重要的江防要塞，是屏障武汉的最重要的门户，要是田家镇丢了，武汉可以说得上是朝不保夕。对于如此重要的地方，国军当然是重兵把守，第11军团长李延年率第2军驻守要塞，外围覃联芳84军、张义纯48军和刘汝明68军在外围策应作战。刚开始富池口还没丢失，田家镇只是遭到今村支队的攻击，压力并不大。在天气不好，日本空军不能出动时，外围的三个军又不断的围攻今村支队，使得稻叶两次大规模增援今村支队维持攻势。9月24日富池口被沿江西上的波田支队攻陷，29日国军不得不从田家镇撤退，长江的大门被撞开了。冈村宁次为了抢在日本第二军前面抢占汉口，特别组织了快速纵队，由36旅旅团长牛岛满率领长途奔袭，并期望能在武汉以北和第二军会师以截断五战区大军的退路。
日本第2军因为北边的张鼓峰事件，行动晚了许久，直到8月22日，东久迩宫稔彦王才从合肥带队出发。8月27日，第2军同时向大别山的门户六安和霍山进攻。攻占六安、霍山后，第2军兵分两路。左路第13、16师团穿越大别山北麓直逼武汉，右路直捣罗山、信阳，迂回武汉。左路第13师团9月2日逼近叶家集，开始进攻富金山。富金山靠叶家集很近，在商六公路的南翼，在山上可以居高临下地封锁公路，日军想绕过去都不行，没办法只好硬着头皮进攻富金山了。守富金山的是宋希濂71军的两个师和原东北军51军的114师，由宋希濂统一指挥。宋希濂以他最精锐的德式师36师守中间的主阵地，原东北军114师守左边，右边是88师。日军进攻矛头首先是直指中间36师的主阵地。日军进攻模式可谓是千篇一律，先以飞机轮番轰炸，再以重炮集中轰击，最后步兵冲锋。富金山不算很险要，坡面根本就不怎么斜，但36师不愧是中央王牌，拼死据守，使日军攻势屡屡受挫，直到9月6日，日军还在山脚下仰望山顶无可奈何地苦笑。见36师实在太硬，日军没办法只好转攻左翼的114师，同时使出了奇兵迂回后方的招数。这一回日军的迂回部队被88师发现了，被打了个伏击，损失了400多人，不得不原路返回，真是偷鸡不行蚀把米。同时正面进攻的部队也被打退了。第13师团荻洲立兵真是没有办法了，只好向东久迩宫求援。9月11日，日军的增援部队16师团到达富金山，中国守军因为奉行节节抵抗，避免决战，所以防守的部队一般是没有援军的，只有防守的时间限制，守到时间就可以撤了。面对增加一倍的日军，宋希濂也没有办法，经过九日的激战，守军伤亡惨重，无力再战，只好撤离阵地，转移到沙窝、小界岭一线阵地。日军乘胜追击国军，连占叶家集和商城，逼近小界岭防线。小界岭防线是大别山北麓最后一道阻挡日军的稳固防线，如被突破，日军就将越过大别山山脉，沿公路一路顺畅无阻地前进，国军将无可以依托的有利地形来阻击日军。小界岭防线由宋希濂的71军、田镇南的30军和冯安邦的42军来防守，其中71军缺36师（36师富金山一役，只剩下800多人），孙连仲这一回让富金山一役已经损失惨重的71和30军来防守小界岭防线的头沙窝，比较完好的冯安邦42军则独自防守小界岭防线的头尾新店。守军三个军利用地形优势，顶住了日军一轮又一轮的猛攻，从9月18日一直打到10月下旬，第13和16师团终于突破了小界岭防线，穿越了大别山，于10月25日占领麻城，可是这时国军已经放弃武汉了。9月下旬，冈村宁次从空中侦察了解到薛岳第1兵团主力在瑞（昌）武（宁）路方面作战，南浔铁路与瑞武路之间的守军兵力薄弱，出现空隙，便命令整补后初步恢复元气的第106师团向西推进，企图切断南浔路与武宁路中国守军间的联系。第106师团接到冈村命令后迅速行动，10月2日，第106师团主力孤军深入到了万家岭地区。10月5、6日两日，第1兵团主力第74军（即后来的号称国民党军五大主力之一的整编第74师的前身）等部在长岭、背溪街、张古山、狮子岩等处与日军第106师团激战。74军第51师在师长王耀武指挥下，向日军占据的长岭北端和张古山制高点发起了数度攻击，第305团团长张灵甫率一支精干的小部队，从日军疏于防范的后山绝壁上进攻，经过白刃格斗，占领张古山主阵地。激战至10月9日，在中国军队的打击下，日军第106师团损失惨重，特别是日军基层军官伤亡惨重，华中派遣军司令官俊六大将亲自组织向万家岭地区空投了200多名联队长以下军官，以加强力量，这在整个中国抗日战争中是绝无仅有的。经五昼夜反复争夺，张灵甫带伤坚持战斗，终于牢牢控制该阵地。
日军第2军左路军行程不畅，右路军与之相比稍好一点，第3和第10师团猛攻固始，一番激战后于占领该城。接着，两个师团沿公路西进潢川，撞上了国军一代名将张自忠。张自忠整整守了10天，比原来预定的守七天整整超了三天，最后还能在敌人面前安全撤退。日军占领潢川后，直捣罗山、信阳，胡宗南的第1军、46军早已在那里严阵以待。胡宗南的第一军是当时国军装备最好的，有邱清泉的坦克部队（当时国军唯一的坦克部队）和彭孟缉的炮兵旅（当时最大的炮兵编制）。胡宗南坐拥国军最好的装备，用三个军七个师与日军已经血战数次的两个师团激战20多天竟然还占下风，最后丢了信阳，李宗仁曾“电令胡宗南自信阳南撤，据守桐柏山、平靖关，以掩护鄂东大军向西撤退。然胡氏不听命令，竟将其全军7个师向西移动，退保南阳，以致平汉路正面门户洞开。武汉会战打到了10月中间。
外围要点尽失，更要命的是，蒋介石没想到这时日军竟然还能分兵在广东登陆，并很快于21日占领华南重要港口广州。青岛、上海等地陷落后，广州就成了中国最重要的港口了，但与它的重要性相比，防守却显得很松懈，粤军竟然被抽调半数去参加武汉会战。谁知在武汉会战国军顽强抵抗，使得战局进展缓慢，日军大本营等不及了，迅速抽调三个师组成21军，由古庄干郎大将统领，在海军第5舰队司令长官盐泽幸一支援下，奇袭广州。广东这边到是听到一点风声，广东省长吴铁城还向重庆作了报告，可是蒋介石居然以为这是日本人故意制造出来的“假”情报，试图让国军从武汉战场抽出兵力支援广东。不给增加兵力也就算了，蒋介石竟然还发报让余汉谋再调一个师去武汉战场。10月11晚，日军7万多人，2.7万匹马在广州大亚湾登陆成功，一路势如破竹，连下淡水、惠州、博罗和增城，21日已经攻到广州近郊。余汉谋的12集团军仅仅10天就被日军打败，乃下令广州守军撤退，广州于21日下午沦陷。广州一失，粤汉铁路被切断，武汉就更不值得用重兵防守了，面对这种情况，蒋介石又吸取南京保卫战的教训，不做孤城困守，决定放弃武汉，10月25日弃守该城。日军26日占领武昌、汉口。27日，占领汉阳，武汉保卫战至此结束。
为保卫武汉，国民政府重新划分战区，制定战略防御部署，将重点放在武汉外围，从6月到10月底同日军展开了一系列英勇的防御作战，使敌在推进途中付出重大代价。在长江北岸，日军在田家镇要塞攻防战中“战死287人（内军官7），负伤866人（内军官15人），合计1150人，预料还要增加”。在长江南岸，在江西马头镇要塞，中国守军与敌恶战8昼夜，予敌大量杀伤。
在富池口（今阳新富池镇）要塞同日军血战近10天，多次击退日军进攻，最后，无耻的日寇竟向国军施放毒气才占领。在庐山南北，国军与敌展开激战，取得万家岭大捷，毙敌3000人，伤敌更多，俘虏30多人，缴获轻重机枪50多挺、步枪1000多枝，军马100余匹。在大别山地区，国军在富金山高地顽强阻击日军，予敌重创，歼敌1000余人，使日军每个连平均减员到40人，营长一级的军官也多有伤亡。同时，国军利用大别山的险峻地形，巧妙阻击日军，激战1个多月，致使日军付出了战死1000人，伤约3400人的代价才得以突破。在河南信阳，国军持续阻击日军，歼敌2600人。
武汉会战期间，中国空军和海军也积极参与了作战。在苏联航空志愿大队的配合下，中国空军鏖战长空，与日军航空兵空中大战7次，击毁日机78架，炸沉日舰23艘，有力地支援了地面部队的作战。中国海军在长江上也进行了激烈战斗，在沿江要塞布置水雷，设置海岸炮，并击沉日舰多艘，有力迟滞了日舰沿江进攻，取得了战略上的成功。
由于国军各处顽强、持续的阻击，各路日军在付出惨重代价后，迟至10月底才完成由东、南、北对武汉的三面包围。然而，国军从持久抗战的战略角度出发，未与敌决战，而是从武汉地区撤退，保存了有生力量。
武汉会战历时4个半月，以国军主动撤出武汉而告结束。就战役而言，日军占领了武汉三镇，并控制了中国的腹心地区，取得了胜利。但就战略而言，则日本并未能实现其战略企图。日本大本营认为“只要攻占汉口、广州，就能支配中国”，于是日本御前会议决定发动武汉会战，迅速攻占武汉，以迫使中国政府屈服。为此还规定“集中国家力量，以在本年内达到战争目的”、“结束对中国的战争”。但是，中国政府既未因武汉、广州的失守而屈服，日本的侵华战争也未因日军占领武汉、广州而结束。中国政府在武汉失守后声明说：“一时之进退变化，绝不能动摇我国抗战之决心”，“任何城市之得失，绝不能影响于抗战之全局”；表示将“更哀戚、更坚忍、更踏实、更刻苦、更猛勇奋进”，戮力于全面、持久的抗战。而在日军已经占领的后方，大批的抗日人民武装成长起来，大片的国土又被收复。用日军自己的话说，日军占领的“所谓治安恢复地区，实际上仅限于主要交通线两侧数公里地区之内”。因而可以这样说：武汉会战，不仅使日军又遭到一次战略性的失败，而且成为日本由战略进攻走向战略保守的转折点。主要表现在以下两个方面：
由于国军的坚强抗击，日本动用了当时能够集结的最大兵力（用于进攻的编制人员约25万人，会战期间曾补充四五次人员，投入的总兵力当在30万人左右），发挥了陆、海、空装备上的绝对优势，苦战4个半月，不但没有歼灭国军的主力部队，没有使国军的抗战意志和战斗力有所减退，反而使日军的有生力量遭到了严重的打击。据日军发表的统计资料，第11军战死4506，负伤17380人，第2军战死2300，负伤7600人，还有900病死的，连同海军及陆海航空兵的伤亡人数，总计约3.55万人。国民政府军事委员会军令部根据各部队战斗详报统计的日军伤亡人数为25.6万人。很显然，日本发表的数字偏低，而军令部发表的数字则偏高。武汉会战以后，本来就感兵力不足的日军，随着战线的延长，兵力益发感到不足，无力再组织像淞沪、徐州和武汉会战这样大规模的、以攻城略地为目标的战略进攻，而被迫转为战略保守。这就使中国的抗战由战略防御阶段发展为战略相持阶段，日本侵略军则陷入了它自身所最不愿意进行的持久战的泥淖之中，无法自拔，从而导致日本侵华政策的转变：由军事打击为主、政治诱降为辅，改为以政治诱降为主、军事打击为辅；由以主要兵力进行正面战场的作战，改为转移兵力进行敌后战场的“治安”作战。
日本是一个岛国，战略物资缺乏，主要依赖输入，而当时日本的经济实力并不很强。据日军战史记载，“七七”事变时日本“储备的黄金，包括发行纸币的准备金，全部只不过十三亿五千万日元”；“而对日来说，对战争规模起着制约作用的，实际上还是它的黄金储备量。它意味着日本的正币储备量从最初就限定了这场战争。日本发动了战争，却又千方百计地“谋求早期解决”，为了维持侵华战争，“昭和十二年（1937年）从海外输入的军需物资总额达到九亿六千万日元”。到翌年的6月，为了进行武汉会战，“连学校教练用的步枪都被收回”，用于装备扩建的军队。更由于兵员的不断增加，国内劳力、粮食、能源均感不足。武汉会战结束后的1939年，日本军费的支出已达61.56亿日元，已远远超出了日本国家的储备量，从而使“日本国力穷困急剧表面化”，已经失去了充分保障军队军事物资供应的能力，从而“加重了中央统帅部首脑的痛苦和压力”，以致其参谋总长和陆相自称：“外强中干是我国今日的写照，时间一长就维持不住了”。大致在武汉会战之后，日军的编制、装备和部队战斗力，总的来看比会战前有所下降。这也是日本不得不改变其政治和军事战略，企图“以华制华”、“以战养战”的重要原因。
武汉会战中中国广大官兵总体上是英勇顽强的，曾大量杀伤日军，并给日军以重大打击。但由于最高决策者及有些高级将领作战指导上欠妥，以致在消耗敌人的同时过多地消耗了自己（阵亡将士人数，军事委员会统计为254628人，加上负伤超过40万），主要原因是战役上单纯地进行阵地防御，与日军拼消耗。
中国幅员广大，日军可以回避我们的阵地设施，而日军的惯用战法就是迂回包围，即使从阵地防御的角度来看，在作战指导上也有不足与失误：兵力分散，以连绵不断的一线式阵地进行防御战斗，而且逐次使用兵力，缺乏有力的战略预备兵团；会战过程中，经常处于被动地位，处处追随在敌人行动之后，不少措施类似“挖肉补疮”；在指挥体系上，受人事关系影响过大，许多兵力调配不是以作战需要为依据，而是按派系及资历任官，职务与所属兵力不适应，造成“屋下架屋，床上叠床”的弊病；命令、报告的转达，自军事委员会至基本战略单位的师，要经过战区、兵团、集团军、军团、军5个层次才能到达，难免贻误战机。
当时任第九战区司令长官的陈诚，在其《私人回忆资料》中所写《武汉会战之教训》比较符合实际。他认为：“①指导计划固应按各时期情况适宜变更，但如变更频繁，有使作战军不能追随之苦。此次会战中之最高指导即有此弊。②指导计划须顾虑部队现状及实力，尤其在持久战之基本原则上，其始终目的何在，似应预先计及，否则处处追随敌人，对作战试探性之处置，必难贯彻始终。例如此次武汉撤退时机，原来决定在8月底，后改为9月18日，又改为9月底、双十节。直至10月20日，领袖尚在武汉。于是转战数月之残破部队不能不在金牛、保安线上竭力苦撑，以致以后转移未能按照计划实施，陷于溃退。③无训练部队绝对不能作战。如此次王陵基部见敌即溃，致影响全局战斗之处，实不胜举。④对装备优良之敌，以诱至山地决战有利。因一到山地，则敌之优点即难发挥，结果与我相等，而我再以旺盛的精神临之，必易成功。如万家岭之役是也。”
鸡公山武汉会战历史纪念馆，位于信阳市鸡公山风景区内。2008年11月，河南省文物局对信阳市鸡公山风景区南岗花旗楼进行维修和重新布展，辟为武汉会战历史纪念馆。花旗楼原为英国驻武汉商人柏尔恩1918年所建，因后转售汉口美国花旗银行而得名。1937年国民政府军事委员会武汉行营在鸡公山征用此楼作为蒋介石的临时行营，并就近修建了防空洞。1938年夏，蒋介石曾在此主持召开“中原会议”，分析日军“长江跃进”的战略，修订保卫大武汉的计划，部署武汉外围对日作战。
