徐州失守后，武汉成为日军进攻的首选目标。日军本准备以主力直下郑州和开封，然后沿平汉路南下，与准备用于长江方面的一个军合攻武汉。但因黄河决堤挡住了河南境内日军的进攻势头，日军被迫改变作战路线，以主力沿长江两岸，一路沿大别山北麓西进合攻武汉。日军大本营认为，攻占武汉、控制中原要地将是压迫中国政府投降、结束战局的最好机会。
1938年六七月间，已是初夏时分，这年的长江流域迎来了特别闷热的季节。6月中旬，日军已经占领了安徽境内的安庆，然后沿着长江水道西上，直取安徽、江西交界处的江防要塞马当。在这里，有39艘船只被凿沉，躺在江底充当障碍物，还投放了1600多个水雷，外加30处人工暗礁。但日军乘中国部队换防的间隙以及增援缓慢，用了3天时间占领了马当，接着迅速穿过彭泽，准备直逼湖口、九江。由于初战意外的顺利，因此日方乐观地认为，只要一个月，就有望攻下武汉。
7月17日上午，冈村宁次中将乘飞机从南京抵达长江南岸的彭泽，准备进攻江西的门户湖口与九江。两个星期前，日本大本营已经任命冈村宁次为第十一军司令官，统帅日军第六、九、二七、一〇一、一〇六师团，以及其他部队，总兵力15万人，沿长江两岸西上，是攻占武汉的主力。日本海军在长江中协助他的进攻，并负责补给的运输。陆上协助他进攻的是第二军，有第三、十、十三、十六师团，以及特种作战部队，由具有皇室血统的东久迩宫稔彦王中将指挥，总兵力12万人，它将在合肥集结，然后沿淮河与大别山北麓向西进攻，从北面压迫武汉。直接指挥冈村宁次的是华中派遣军司令官俊六。南到杭州，北到包头，日军到处抽调兵力，并忙于将会战所需要的兵员和武器向长江一带集结。
中国军队早已严阵以待。6月14日，中国政府在武汉卫戍司令部基础上组建了新的第九战区，负责江南与长江两岸的防守。卫戍司令陈诚将军出任战区司令。这位矮小勤勉的将军要对付的正是冈村宁次的第十一军。在战前他就曾经在武汉整编军队，监督建造国防工事。蒋介石把精锐主力交给这位爱将，最多的时候第九战区集中了多达70个师的军队，与冈村宁次的兵力达到了10∶1的比例。他手下分成了薛岳将军的第一兵团和张发奎将军的第二兵团。主力集结在鄱阳湖以西地区的长江南岸，迎击日军第十一军的攻势。江北及大别山区的防御则交给了第五战区。战区司令李宗仁此时不幸染病而将职权交由长期搭档、副总参谋长白崇禧代理。战区的兵力分成了两大兵团，孙连仲将军曾经在台儿庄立下战功，现在他率领第三兵团负责大别山的防御，来自广西的李品仙将军则率领第四兵团在长江北岸抵抗日军的攻势。日军第二军是他们的主要对手。
围绕武汉的攻与防，日军动用陆海空军35万，中国方面更是投入百万大军。双方兵力之多、战线之长、时间之久、规模之大，为抗战以来任何战役所未曾有过的。
7月25日凌晨，冈村宁次的部队在海、空军的掩护下，对九江开始了总攻。第二兵团司令张发奎将军是北伐时代的名将，统帅过著名的“铁军”。他在九江一带部署了数十万军队，但在日军飞机的威胁下，大军只能靠九江到马回岭的小路补给粮食和弹药，结果士兵挨饿，而伤员也难以运下。而日本海、陆、空军的联合火力也使守军的人数优势无从发挥。九江的抵抗只坚持了两天，26日晚，就不得不放弃了。长江对岸的小池口要塞也失守了。武汉攻防战到了最激烈的时候。
占领九江以后，江南日军兵分两路，主力沿长江南岸西进，迂回武汉之南；一部沿南浔铁路向德安、南昌方向进攻，准备切断浙赣铁路，进犯湖南，实行战略大包围。
在长江北岸，冈村宁次的第六师团沿着潜山、太湖、宿松间的狭长地带从东向西猛攻，8月3日攻克了黄梅。白崇禧上将见日军孤军深入，决定围攻在黄梅集结的第六师团，取得另一次台儿庄大捷。他的部队成功地截断了第六师团的陆上补给线。围攻黄梅的李品仙兵团一度包围日军第十一旅团，第十一旅团粮弹断绝，几遭灭顶，令第六师团相当紧张。可惜的是，本来的长江天堑，现在却因为日军海军的绝对优势，变成了沿岸日军后勤运输的坦途，第六师团改由小池口获得补给。围攻不下以后，日军反击，进攻广济，30公里的路程，日军整整苦战了8日，攻取广济后已成强弩之末，休整7天，又补充新兵3200人后，才继续向田家镇进攻。
田家镇在广济县内，在九江上游60公里处。这里江面狭窄，丘陵湖泊密布。它的对岸有半壁山、富池口要塞相呼应，共同拱卫着长江航路。在马当、湖口、九江相继失守以后，江防是否稳固就取决于田家镇要塞。这里就是武汉的大门。过了这里，江面开阔，就无险可守了。第五、九两个战区也通过这里相衔接。陈诚计划要在这里固守两个月，白崇禧也亲自来视察。
8月6日，蒋介石要求要塞的官兵准备与要塞共存亡。驻守这里的是第二军，原来的要塞部队也归第二军军长李延年统一指挥。他们用水泥建造了几百个坚固的据点，从四望山的高地到田家镇的山地设置了几道铁丝网，每个区域都配置了20多门野炮和山炮。田家镇成了名副其实的长江中最坚固、也是最大的江防要塞。日本海军对要塞发起了猛攻，中国守军第五十七师、第九师在李延年的指挥下殊死抗战，给予了日军沉重打击。可是这个要塞设计时的一个错误，断送了抵抗的成果。因为设计时只考虑了面向长江一面的作战需要，而在侧背后的防御上，几乎没有任何坚固的防御设计。当日军从广济迂回攻击田家镇时，整个要塞的弱点暴露出来。
9月28日，日军攻入要塞核心，双方炮火的猛烈，是抗战开始以来少见的。这一天，日军出动了78架飞机进行轰炸，侧翼陆军和海军军舰的数百门大炮将炮弹倾倒在这块狭小的阵地上，中方防御工事完全被摧毁。激烈的战斗中，中国军队用迫击炮击落了一架低空飞行的日军飞机，成为战争奇闻。施中诚师的官兵死守阵地，团长龙子育在阵地上战死。9月29日，战斗沉寂下来。
弹尽粮绝的守军遵命撤离。要塞被日军攻陷，武汉虽然门户已开，但日军第六师团也筋疲力尽，需要停下来补充休整了。
负责从北路进攻武汉的日本第二军，在日军攻打汉口的战略规划中，原先只是助攻的角色。
8月22日，当南路日军已经打得昏天黑地之时，北路日军才开始沿大别山向西进攻。因为沿途地形险阻，并不适合大兵团的运动与作战，所以给孙连仲兵团配备的防守力量也是最薄弱的。当一路顺利的日军到达富金山的时候，第七十一军官兵已经在险要的阵地上守候着他们。军长宋希濂经历过两次淞沪之战，他指挥的第三十六师的陈瑞河部，在十天十夜的富金山血战之中，几乎打光了所有的弹药，造成进攻的日军第十三师团死伤惨重。此后日军的第十师团也加入战斗。日军死伤累累，全军需要大量补充兵员，才能继续作战。富金山阵地之战，第七十一军官兵战死2618名，受伤12401名。这一战也给孙连仲调度兵马迎战，争取到准备的时间。日军在攻占富金山阵地之后，同样分兵两路，北路进攻固始、潢川、罗山；南路进攻商城与沙窝。伤亡极重的宋希濂部队本应该撤下休整，但因为前线兵力吃紧，不得已继续协助孙连仲的第二集团军防卫沙窝与小界岭，日军自己统计死伤4500人，而第七十一军只剩下了4个团。在北路，张自忠的第五十九军血战潢川，日军往城中施放了毒气瓦斯，全城毒气弥漫。师长刘振山两次中毒，仍然不退，第五十九军将士的顽强战斗令日军受到重创。
武汉会战期间，日本军队在富池口、西孤岭、富金山等多处战场施放毒气。当时中国根本没有任何对付化学战的防护装备。面对毒气攻击，唯一的办法就是以毛巾泡水，掩住口鼻，这种做法当然不能抵挡日军的化学武器的攻击，因此，每当日军以毒气攻击中国军队的时候，战场状况是极其悲惨的，常常整个阵地就成为了尸骨堆积场。后果最严重的是8月22日，日军在瑞昌东北朱庄施放毒气，中国军队第三集团军孙桐萱部两个营的士兵死难，只有3人幸免。
9月末，突破田家镇要塞以后，沿江日军进入湖北境内，武汉已经遥遥在望了。在江西南浔线的战场上，中国军队巧用庐山等险要地势进行战斗，让日军陷于不安和惶恐之中。在这条战线上，冈村宁次遭遇了会战中最大的失败。
沿南浔路进攻德安的是日军一〇六师团，从7月末就出师不利。它面对的是薛岳统帅的第二兵团。从星子到德安，激战不断，使日军的进展慢得像蜗牛一般。冈村宁次决定再调日军一〇一师团在星子登陆，企图侧击中国军队阵地，中国军队利用庐山的险峻地形固守，日军用尽一切手段，包括施放毒气、飞机轰炸与炮舰的火力支援，但在星子、东孤岭和西孤岭、隘口遭遇抵抗，日军第一〇一联队长饭在攻占东孤岭时被击毙，一〇一师团长伊东中炮受伤。战斗延续40多天，陷于僵局。两个日军师团，都被打到近乎失去继续作战的能力。
冈村宁次无奈之下，决定冒险。一面继续在正面施加压力，一面出动军队，先猛攻右翼的瑞昌，然后向南旋转，进行大迂回，包抄中国军队的后方，准备围歼中国守军。担负迂回任务的是日军一〇六师团。这个师团1938年5月才在日本熊本编成。它是征召预备役人员临时组建的。此前在南浔路战斗中，连遭中国守军重创，参战官兵16000人，伤亡高达8000人，中队长和小队长死伤过半。惨重的损失不仅让一〇六师团一度几乎失去战斗力，还落得了日本第一弱师团的名声。冈村宁次把一〇六师团调回休整，补充了2700名新兵，还将从杭州调来的山炮兵联队配属给一〇六师团。初步恢复元气的一〇六师团，按冈村宁次命令迅速行动，10月2日，主力进抵瑞昌西南方的万家岭地区，但因为地形不熟，常常迷路。第二兵团司令薛岳是个有决断的将军，他看到战机来临，下决心要歼灭这支孤军深入的敌人，他调集了第四军（军长欧震）、二十九军（军长李汉魂）、六十六军（军长叶肇）、七十四军（军长俞济时）把万家岭的日军一〇六师团紧紧围困住。
后来，日军原一〇六师团的一个幸存者——辎重队运输兵那须良辅战后在他所著的《地狱谷中的三个星期》一书中记载了这段可怕的经历：
“雷鸣谷是周围环山的狭小盆地，我们向这峡谷进军。后来才知道，周围的山中有数万敌军在等待我们。
“当我发现敌军来袭时，我听到令人恐怖的迫击炮声，越过我的头上在前面50米的地方爆炸了。炮弹击中了马群，马群炸了窝般地在烽烟中胡冲乱撞。离开九江时有数千匹马，到雷鸣谷，连一匹马也没有了。从第二天开始，我们的中队就躲在水沟的土堆四周跟敌军对峙。然而由于四周的山中都是敌人，子弹从四面八方飞过来。
“战友们大部都受伤，也有些因为饥饿和疲惫而倒下来。死在水沟的战友们，他们的脸色都变成茶色而浮肿，白花花的蛆虫从他们的鼻孔和嘴巴掉下来。一连几天都没吃东西，只能从漂浮着同伴尸体的水沟里舀脏水喝，活着的人也都快变成了鬼。我也觉得我的死期到了。对着10月的月亮，我放声大哭。”
中国军队在万家岭血战10多天，第七十四军（担任主攻，牺牲最大，下属的冯圣法部五十八师，到了全员上阵的地步，连军长俞济时也率领警卫营支援作战）。日军一〇六师团左右挣扎，但始终无法突围。外围的日军援军受阻，无法打破包围圈。困在方圆几公里阵地上的日军逐渐弹尽粮绝。日军第一〇六师团长淞浦淳六郎中将，几度准备焚烧军旗和切腹自杀。还算他命大，中国军队的突击队几次从他的阵地前擦身而过。在武汉会战长达4个多月的战斗中，中国共计使用了110个师左右的部队参战，日本没有消灭过中国成建制的一个师。可在万家岭，日军一〇六师团却面临着全军覆灭的危险！
消息传到了日本东京，震动了日军大本营与天皇裕仁。日本军人自称，近代日本建军以来，还没有遭到整个师团被围歼的败绩，但这个记录眼看要在万家岭成为事实。日军华中派遣军司令官畑俊六亲自介入，把所有能出动的飞机，都派到万家岭上空，空投食品与弹药，还空投了200人的军官团到一〇六师团的阵地上。他还紧急出动所有预备队，不惜一切代价地投入战场，救援万家岭的日军。
眼看双十节就要到了，蒋介石希望薛岳的部队用一次彻底的胜利作为国庆的盛大礼物。万家岭上出现了短兵相接的白刃战，双方分别组织了上百组的敢死队捉对厮杀。只是此时中国军队已经筋疲力尽，派不出更多的预备队兵力投入战斗，最后眼睁睁地看着残余无几的日军一〇六师团被远道而来的日本援军救出。
逃出危险的日军一〇六师团与参与救援的第九、一〇一师团都被打到了失去作战能力的地步，必须进行全师团的休整。从星子到德安，仅仅30公里，但日军花费了两个多月，直到日军占领武汉两天以后，南浔路上的日军才到达德安。中国军队顽强勇猛的战斗力令日军极为困惑和震惊。中国军队10月中旬开始了最后的撤退，这座城市几乎是空城。武汉的民众从6月开始就已经陆续向内地转移。汉口的政府机构也先后搬迁，民政机关迁往重庆，军事机关迁往长沙、衡阳。最后撤出时，中国军队把武汉的重工业与军工厂，都做了较有系统的破坏。整个武汉只留下一个旅（一八五师第五四五旅）做象征性的抵抗。
10月25日夜，日军第六师团进入长江北岸的汉口，26日早晨，波田旅团攻入长江南岸的武昌。武汉终于失守。
武汉会战从1938年6月安庆失守起持续了4个多月，中国军队以武汉为中心，沿长江两岸的大别山、鄱阳湖一带布防，在会战中投入了120多个师，这是中国近现代军事史上第一次在如此广阔的地域上，动用如此庞大的兵力协同作战。它不像淞沪会战仅局限于长江三角洲一隅之地，而是以广阔的长江中下游地区和淮河流域为战场，包括江西、安徽、河南、湖北4个省。日军在进攻时先后投入12个师团的兵力，补充四五次，总数40万之众。当武汉会战结束时，日本投入中国内地的兵力已达到26个师团，日本国内只留下一个近卫师团，还准备在必要时来华作战。经过这次会战，日军战略进攻的势头大为削弱，抗日战争进入了相持阶段。从武汉失守到1944年豫、湘、桂战役为止，正面战场上的中、日军队一直在湘、鄂、赣、豫等地区拉锯对峙。