武汉三镇位于长江中游，战略位置极力重要。既有长江水路联络东西，又有平汉、粤汉铁路贯通南北，并沟通西南和西北地区，从国外购买的各种战略物资，大多由广州运至此地再分运各个战区，南京失守之后，国民政府虽已迁至重庆，但实际上，军事、政治，经济中心则在武汉。因而，国民政府提出“保卫大武汉”的口号。保卫大武汉的中心思想、并不在于武汉三镇本身的得失，而是以武汉为核心，在其外围皖、鄂、赣、豫广大地区，与日军进行作战，消耗其战力，挫败其士气，为杭战的最后胜利奠定基础。
1937年12月13日，中国军事委员会在南昌制定的《军事委员会第三期作战计划》方针就规定：“国军以确保武汉为核心、持久抗战、争取最后胜利之目的，应以各战区为外廓，发动广大游击战，同时从新构成强韧阵地于湘东、赣西、皖西、豫南各山地，配置新锐兵力，待敌深入，在新阵地与之决战。”徐州会战后，第五战区各部队，除韩德勤之第24集团军撤向苏北，准备进行游击作战外，主力部队撤至豫东、皖北、皖西的商城、六安，霍山一带，一面休整，一面准备依托大别山有利地形，阻击可能西犯的日军，杨森之第26集团军则撤至安庆附近，准备固守安庆、无为、庐江地区，并协同江南第三战区的部队，阻击沿江西进之日军。同时成立武汉卫戍总部，以陈诚为总司令，开始进行武汉会战的各项准备工作。
徐州会战末期，第五战区各部队突围转移，日军跟踪追击。
日华北方面军沿陇海路西进，在豫东击败第一战区的阻击部队后，于1938年6月6日占领开封。当向郑州前进时，蒋介石下令炸毁花园口黄河河堤，制造水障，日军暂时被阻于黄泛区以东。日华中派遣军沿长江和合肥西进，6月12日占领安庆、舒城等地。日军企图进攻武汉的形势已极明显。
中国军委会为适应作战的需要、增强指挥机构，遂调整了战斗序列，除江防部队指挥系统（江防总司令刘兴、江防要塞守备司令谢刚哲）不变外，将武汉卫戌总部改编为第九战区，以原卫戌总司令陈诚任战区司令长官，辖第1、第2兵团，负责长江南岸的作战。江北为第五战区（司令长官李宗仁）。两战区协同作战，共同保卫武汉。中国军委会的作战指寻是重点立于外线，以保证机动的自由。采取逐次抵抗、消耗日军，以空间换取时间的方针，主要防御方向置于长江以南。以南昌、九江、黄梅、大别山东麓向北延伸之线为第一防御地带，在此以东为游击区，由此地开始实行逐次抗击；萍乡、铜鼓、瑞昌、广济、罗田、麻城至武胜关一线为第二防御地带，亦即决战地带。
其具体作战计划，第九战区：令第1兵团薛岳所部防守南浔线，井沿鄱阳湖沿岸配置兵力，以南昌为基地，防止日军进攻南昌及迂回长沙；令第2兵团张发奎所部确保九江及田家镇，并沿江构成阵地带，必要时逐次抵抗，消耗敌人，防止日军由瑞昌西进，直趋岳阳、蒲圻、咸宁；另以有力兵团，分别控制于各重要据点之间及武汉、长沙地区，以便随时策应尔后之作战；司令长官部设于武昌，第五战区：以第4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，以一部占领广济东西亘浠水一线的纵深阵地，阻击敌人；以第21集团军廖磊所部为中央兵团，位于太湖、潜山西北山地，相机南下侧击西进日军；以第3兵团孙连仲所部为左翼兵团，位于大别山北麓与淮河之间，利用地障，阻击该方面日军；以第24集团军韩德勤所部任敌后游击；以第29集团军王缵绪所部为第二线兵团，随时准备策应第一线的作战。
武汉会战开始时，中国军队参战兵力4个兵团，辖5个集团军（第20、第9、第3、第31、第32集团军），共30个师、1个旅、2个团及3个野战炮兵团、2个要塞炮兵团。会战中不断增兵，至后期，总兵力约达124个步兵师、2个骑兵旅、7个野战炮兵团、3个要塞炮兵团。其中110个师是参加此前各会战的部队，伤亡、损失甚重，虽曾进行过整补，但缺员仍在半数左右，平均每师约5500人。后增加的14个师，多为满员，每师约1.1万人。武汉会战，中国军队的总兵力约75万人。其中有不少是没有受过训练的新兵。
第九战区和第五战区的战斗序列为：
第九战区：司令长官陈诚。所属部队有：第1兵团（薛岳），辖第9集团军（吴奇伟，第4，第8、第66军，第29、第37军团），第20集团军（商震，第32、第18军）及第74、第29军，第167师及鄱阳湖警备队等；第2兵团（张发奎），辖第3集团军（孙桐萱，第12军），第30集团军（王陵基，第72、第73军），第31集团军（汤恩伯，第13、第98军），第32军团（关麟征，第52、第92军），第11军团（李延年，第2军）及第75、第94、第37、第6、第16军。战区直辖第30军团（卢汉，第60军），第26军团（万福麟，第53军）等，共约61个师。
第五战区：司令长官李宗仁。所属部队有：第3兵团（孙连仲），辖第2集团军（孙连仲兼，第30、第42军），第26、第55、第87军；第4兵团（李品仙），辖第29集团军（王缵绪，第44、第67军），第11集团军（李品仙兼，第84、第48军），第28、第86军等，战区直辖第26集团军（徐源泉，第10军，第199师），第21集团军（廖磊，第31、第7军），第5集团军（于学忠，第51军），第33集团军（张自忠，第59军），第24集团军（韩德勤，第57、第89军），第27集团军（杨森，第20军），第17军团（胡宗南，第1军）等，共约51个师。
此外，尚有江防总司令刘兴指挥的第16、第43、第73军及马当、湖口、九江、田家镇筹各守备区和江防要塞部队等，共约12个师。海军舰艇有“永绩”、“中山”等8舰，“宁字”、“胜字”炮艇10艘，“史可法”、“岳飞”等号快艇10余艘，参加会战的空军，有轰炸机2个大队、驱逐机3个大队、侦察机1个中队，作战飞机126架。另有苏联志愿航空队3个大队，飞机120架。
日本在占领南京后，中国军队主力并未被其歼灭，而国民政府正以武汉为中心，继续组织抗战。日本大本营继续寻找中国军队的主力进行决战。为控制中原地区，切断中国的战略通道，以迫使国民政府屈服，曾提出在1939年下半年攻略武汉的建议。并拟出沿平汉路南下或沿长江西进的两个作战人案。但由于日本政府及军方内部看法不一，1938年2月16日的御前会议决定“暂不扩大”战局，日本军事当局则始终未放弃攻略武汉的企图。徐州会战期间，日本已深感侵华军队的兵力不足。继1937年9、10月新组建7个师团之后，于1938年4月间再次组建第15、第17、第21、第22、第23、第27、第104、第106、第110、第116等10个师团。（日本原有常备军17个师团，七七事变后新组建的7个师团，2个调至华北战场，4个调至淞沪战场，1个在内蒙）。徐州会战术期，日本大本营特别是侵日军事当局，决定利用徐州会战的有利形势，逐次调整部署，进行攻略武汉的准备。
6月初，日本负责研究和制定国策的昭和研究会，也向近卫内阁提出了《关于处理中国事变的根本办法》，建议“为了彻底打击国民政府……必须攻下汉口、广州”，认为“只要国民政府还占据在汉口，汉口就是主要以西北各省为其势力范围的共产军和主要控制着西南各省的国民党军之间的接合点，和两党合作的楔子……所以，首先为了摧毁抗日战争的最大因素——国共合作势力，攻下汉口是绝对必要的。因为占领了汉口，才能切断国、共统治区的联系，并可能产生两党分裂”。此时，新组建的10个师团已基本组建完，6月15日的御前会议，遂决定进攻武汉。
6月18日，日本大本营正式下达第119号作战命令和参谋总长第161号作战指示。主要内容是：预定秋初攻占汉口，令华中派遣军首先攻占淮河以南和长江沿岸至九江地区，以作为进攻武汉的前进基地，令华北方面军准备以一部兵力向郑州方向前进，以牵制北方的中国军队。
日华中派遣军接到命令和指示后，积极进行进攻武汉的准备：一面调整部署，整补军队；一面令已占领安庆之波田支队（波田重—少将的台湾旅团，辖步兵2个联队、山炮兵1个联队）及海军第11战队，吴港第4、第5特别陆战队等继续沿江向马当、湖口、九江进攻。本来准备令己占领桐城、舒城地区之第6师团继续向大湖、黄梅进攻，以配合彼田支队及海军第11战队的作战。但由于从合肥西进过程中大批人员染患疟疾，减员2000余人，其先遣第11旅团又不断遭到中国军队第21集团军第31军第135师的反击，伤亡极大，已无力继续进攻。因而被迫停止在潜山地区休整，直至7月下旬方投入战斗。
日军波田支队及日海军第11战队于6月22日开始溯江进攻，拉开了武汉会战的序幕。23日，突破马当、东流附近之水雷封锁线，在香口以北登陆，与马当守备区第16军第53师在黄山、香山阵地进行激烈的争夺战后，于26日攻占马当要塞。陈诚急电相邻第一战区第18集团军总司令罗卓英，命其“督率第16军、第49军及11师、16师等部，务速恢复香山，马当阵地而确保之，并规定攻克香山、及马当要塞区者各赏洋5万元”。罗卓英仅派刘多荃之第49军驰援，而刘多荃只派其第105师北进，第105师则令其第313旅向香山反击。28日收复香山。复令第313旅进攻香口。因反击香山己伤亡数百，日军又得到舰上火力的支援，故未能攻克。此时，日军后续部队、新从日本调来之第106师团已到达马当地区，其第101旅团与波田支队由南岸迂回至香山后方，于29日攻占彭泽。香山的第313旅等部队被迫撤回。日军于7月之日从彭泽西进，猛攻湖口守军第26师阵地，水，陆、空协同作战，激战两天一夜。7月4日20时，湖口失守。
1938年7月4日，日本大本营确定进攻武汉所使用的兵力，并下达编成的命令。其战斗序列为：
华中派遣军（畑俊六）
第11军（冈村宁次）
第6师团（稻叶四郎）
第9师团（吉住良辅）
第27师团（本间雅晴）
第101师团（伊东政善）
第106师团（松浦淳六郎）
波田支队（台湾旅团、波田重一）
第116师团之石原支队（会战后期加入战斗）
战车第2联队
野战重炮兵第6旅团
海军第11战队（又增加第11、第12炮艇队的滑走艇队）及吴港第5特别陆战队
第2军（稔彦亲王）
第3师团（藤田进，8月25日编入第2军）
第10师团（徐塚义男）
第13师团（荻洲立兵）
第16师团（藤江惠辅）
骑兵第4旅团（10月11日由华北方面军转隶华中派遣军，10月14日配属第2军）
战车第1联队
野战重炮兵第5旅团
海军吴港第4特别陆战队航空兵团（德川好敏，8月2日由华北方面军转隶华中派遣军）
第1、第3、第4飞行团，共有战斗机7个中队、侦察机4个中队、轻轰炸机6个中队、重轰炸机4个中队、共有飞机约200架。
海军第2联合航空队第12、第13、第15航空队和第3航空战队，共有飞机约200架。
湖口失守后，第九战区判断日军将进攻九江、瑞昌，遂将第1兵团部署于鄱阳湖西岸，以防日军向南昌、长沙方向迂回、而将第2兵团部署于星子、九江亘码头镇沿湖江之线。第2兵团总司令张发奎的防御部署是：王敬久指挥其第25军及第90师之1个旅，守备星子至姑塘间地区；李汉魂指挥第64，第8军及预备第2、第9、第11师等，守备姑塘亘九江及其以西地区；霍揆章指挥第54军守备码头镇至富池口间地区，吴奇伟指挥第4、第60军及第19师为兵团预备队，控置于九江西南之马迥岭、沙河、瑞昌等地。
日华中派遣军攻占湖口后，根据大本营下达的进攻武汉的战斗序列，进行了短时间的调整，担任主攻方向的第11军司令官冈村宁次（由第2师团长升任）于15日到达南京，19日下令进攻九江、夺取前进阵地。命令主要内容为：令在湖口的波田支队及第16师团与海军第11战队协同，23日开始由姑塘进攻九江；令在潜山的第6师团向太湖、宿松、黄梅进攻，以策应九江方面的作战；令第101师团推进至湖口附近，随时准备支援第一线的作战，并接替第106师团的守备。武汉会战由此正式开始。
7月23日零时，日军波田支队首先在姑塘强行登岸，突破守军预备第11师的阵地，向西攻击前进，并击退守军第128师的反击。日军第106师团继波田支队之后，亦于姑塘附近登陆。24日，波田支队继续向预备第8师防守之鸦雀山阵地进攻，第106师团全部登陆完毕。24日晚，波田支队与第106师团突破守军第8军的阵地，从庐山北麓迂回，向九江进攻。与此同时，为策应波田支队及第106师团的作战，日海军陆战队分别由九江东之洋油厂和九江西北之小池口登陆，击退守军预备第9师及第119师后，向九江近迫并切断九江守军与江北守军的联系。激战至25日黄昏，第2兵团放弃九江，退向南昌铺、沙河之线，26日，日军波田支队进占九江。经3天战斗，武汉第一防御地带即产生缺口，被日军打开了进军武汉的大门。
日军占领九江后，冈村宁次令进攻各部队继续推进，扩大战果，以掩护主力的集结和为其战略展开准备条件。江北的日军第6师团，在波田支队等进攻九江的次日（24日），亦由潜山进攻太湖，经3天激烈的争夺、拉锯战，26日攻占太湖。据日军第6师团统计，3天的进攻战斗，曾遭到守军第31军数十次反击，伤亡极大。占领太湖后，继续南进，击退守军第88军后，于8月2日、4日先后占领宿松和黄梅。由于损耗过巨，停止前进，原地休整。第106师团于7月28日沿南浔铁路向九江以南的沙河南昌铺进攻，遭到第4军及第64军的坚强抗击，双方在马鞍山、金家山一带激战至8月9日，许多阵地多次反复易手。第106师团伤亡过半（约8000人），阵亡联队长2人、大队长4人，顿兵于中国守军阵地之前，毫无进展。12日，冈村宁次令刚由苏北地区转来的第101师团加入战斗，在海军及航空兵支援下，在星子附近强行登陆，于21日攻占星子。当其继续西进、准备进攻德安时，遭到守军第25军的顽强阻击。血战至28日，日军进攻受挫，师团长伊东政喜负伤，冈村宁次被迫下令暂停进攻，形成对峙。日军波田支队沿江西进，于8月10日在官湖港口附近登陆，向瑞昌进攻。为加强其进攻力量，冈村宁次令第9师团第6旅团在波田友队后跟进。守军第81师坚守望夫山阵地，日军在猛烈炮火掩护下，数次攻占该山，又数次被守军反击夺回。激战至13日，该阵地失守。第22师在牯牛岭进行阻击。22日，第9师团第6旅团加入第一线进攻。23日，该阵地失守。24日午，日军占领瑞昌。
8月下旬，日军第11军和第2军主力基本上均已进至进攻出发地，位之九江地区和合肥地区。8月22日，日本大本营下达攻略武汉的第188号作战命令。主要内容为：华中派遣军与海军协同，攻占汉口及其附近各要地，以达到将国民政府驱逐出中原地区的目的，歼灭中国军队，则为次要目的。为切断中国的国际补给线，将同时攻略广州。日华中派遣军于当日17时下达进攻命令，令第11军在海军协同下，沿长江两岸攻占武汉，主力置于长江以南，从咸千地区切断粤汉铁路，以一部兵力向德安、永修前进，相机攻占南昌；令第2军主力由大别山北麓攻占信阳，尔后沿平汉路南下，从北、西北迂回包围武汉，以一部兵力横越大别山迸至麻城，从东北方策应沿江部之作战。规定8月27日进攻开始。
长江方面，日军第6师团由黄梅向西攻击前进，在广州以东遭到守军第84、第26军及第67军等部队从正面和侧面的不断阻击、侧击，至9月9日，方攻占距黄梅仅30公里的广济。休整7日后，9月15日，其第11旅团协同海军向田家镇要塞进攻，被守军第48、第26军及第86军等部围困于黄泥湖、马口湖附近，伤亡1000余人。增援部队经7个日夜的苦战，方得与其会合。此时，日海军陆战队已由武穴登陆，双方会攻田家镇。与守军第2军及要塞守备部队激战3日，29日，攻占田家镇要塞，日军第116师团第120联队进驻田家镇，第6师团第11旅团回广济与主力会合。10月8日，田家镇的日军第120联队击退第87军的部队，进占蕲春。
日军波田支队沿长江南岸与海军协同，于9月14日攻占码头镇，16日进至富池口以东，在航空兵与舰炮火力支援下，猛攻富池口要塞，守军第54军及要塞守备部队奋勇抗击，苦战8日8夜，23日失守。
日军第9师团由瑞昌向西攻击前进，遭守军第31集团军和第32军团的阻击，进展滞缓。在富河一线激战至10月6日，方渡过富河。又遭第54军等抗击，停滞于八相庙、大桥铺之线。激战至17日，突破守军阵地，进至辛潭铺、三溪口以西之线。
日军第27师团由平津地区转进至九江后，于9月16日由瑞昌向西南进攻，亦遭到守军第13军的顽强抗击。10月23日，冈村宁次又将第101师团第102旅团配属给第27师团，在白水街附近加入战斗，在守军第18军阵地前受挫。其第103联队死伤近千，联队长谷川幸造阵亡。第27师团遂改变主攻方向，于10月1日攻占大桥河，尔后向东南进攻，于10月5日攻占箬溪。
日军第101师团及第106师团分由庐山东西，沿南浔铁路进攻德安、武昌。第101师团由星子南进，突破守军第190师西孤岭防线后，即被阻于隘口东北附近。第106师在得到杭州第22师团的1个山炮联队的加强后，于9月中旬攻占马迥岭。25日向万家岭方向进攻。30日被第1兵团第66、第74军及第4军6个师包围于万家岭。松树熊、石马坑刘、大小金山等地区。10月7日，中国军队在第9集团军总司令吴奇伟指挥下开始总攻，激战4日3夜，至10日，日军的防御体系全被打破，第66军夺回万家岭，第4军收复大金山，箭炉苏高地，第74军收复张古山。日军第106师团被压缩于雷鸣鼓、石马坑、松树熊狭小地域内，补给全靠空投。日军第27师团派来增援的部队，被第64军阻止于箬溪东的跑马岭、龙头渡一线。冈村宁次急令第101师团第102旅团（配属战车第5大队）及苏州地区的第17师团2个联队驰援。10月12日后，第1兵团的攻击部队伤亡较大，进展甚微。日军第102旅团及第17师团的援军于15日进至甘木关。因而，薛岳于16日下令撤出战斗，部队转移至德安以西、以北地区。万家岭战斗，中国军队给予日军第106师团以毁灭性打击，歼灭9000余人。时称之为万家岭大捷，第106师团及第101师团均已失去进攻能力，后在九江以南地区担任守备及休整。原命这2个师团进攻南昌的任务，被迫取消，直至会战结束。
大别山北麓方面，日军第10师团在北，第13师团在南，分别由合肥地区向六安、霍山进攻。经连日猛攻，突破第77军和第51军的阵地，于9月2日进至黎家集叶家集之线，与守军隔史河相峙，第10师团于9月5日击退第59军，6日占领固始。
日军第13师团进攻第71军防守之富金山受挫。第10师团派第33旅团往援，在武庙以东中伏，被第71军第88师歼灭500余人，被迫撤回固始。第13师团在航空兵大力支援下，苦战至11日，守军第36师因伤亡过重，主动转移至商城西南之沙窝地区。9月12日，日军第16师团到达时家集以西加入战斗，向商城进攻，与守军第30军在商城以东展开激烈的争夺战。因商城地形低洼，无险可守，第30军于16日放弃商城，转移至南沙窝、打船店之线。孙连仲指挥第3兵团，依据大别山的有利地形，修筑大纵深的防御工事，利用交叉火力和不时的出击，激战40余天，阻止了日军第16、第13师团的猛攻，粉碎了日军由东北方向进攻汉口的企图。
日军第10师团由固始西进，击退第59军后，于9月19日攻占演川，21日攻占罗山。由于沿途遭到第3兵团打击，伤亡极重。以其第8旅团第39联队为例，由合肥出发时有2800人，五罗山仅余800余人。因而，日军第2军司令官稔彦亲王将第3师团投入战斗，并以之作为进攻信阳的主要力量。罗山失守后，信阳形势严峻，第17军团长胡宗南指挥第1、第45军在罗山以西以攻势作战抗击日军。开始进展顺利，日军第3师团于28日加入战斗后，改取守势。10月5日，第19集团军总司令兼武汉卫戌总司令罗卓英，奉命扩编为第5兵团（豫南兵团），指挥第12军、第17军团、第16军、第31军、第13师、第106师，负责平汉路及信阳方面的作战，日军第2军令第10师团主力进攻柳林车站，令第3师团进攻长台关车站，令第10师团第8旅团进攻五里店，从南、北、东三个方向合击信阳。10月12日，日军攻占信阳。至17日，守军第5兵团转移至武胜关、平靖关、应山地域。罗卓英调至江南，第5兵团由李宗仁直接指挥。
1938年10月中旬，武汉外围第二防御地带各要点多已为日军占领，武汉三镇已外于三面被围的境地，中国军委会认为已达到消耗日军之军事目的，没有必要死守武汉，与敌硬拼，10月16日开始作撤出武汉的准备工作。战斗至10月24日时，日军第2军已进至麻城、花园之线，第11军已进至黄肢、葛店和金牛铺、仙索桥、太平山以东之线。此时，在武汉之重工业及国民政府各机构，均已西迁重庆，广州已于21日失陷，国际交通线亦告阻断，武汉得失之重要性已较前减少，因而、中国军委员决定放弃武汉。10月24日开始，全线转移。日军于25日占领武昌，26日占领汉口，27日占领汉阳。其第11军各部继续向南进攻，于11月12日占领岳阳。此时，第五战区主力已转进至湖北、河南平汉路以西，固安、随县、京山、天门一线；第九战区主力已转迸至江西、湖南永修、幕阜山、岳阳以南一线，日军攻势达于极限，无力前进。武汉会战结束。
武汉会战初期，中国空军曾以主力支援地面部队的作战。因损失过巨，至后期仅以一部支援地面部队作战。与日军航空兵的空战，极为频繁，其中最著名的有2次。1938年2月18日，日海军第1联合航空队的15架攻击机，在第2联合航空队的11架战斗机掩护下袭击武汉。中国空军第4大队的29架驱逐机升空拦截，激战12分钟，击落日机12架，中国空军损失飞机5架；4月29日，日海军第2联合航空队出动27架战斗机、18架攻击机袭击武汉。中国空军第3、第4、第5大队的19架驱逐机和苏联志愿航空队的45架战斗机迎战，经30分钟空战，击落日机21架，中国空军及苏联志愿队共损失飞机12架；1938年2月23日，中国空军决定空袭台湾台北松山机场。共组成2个飞行队，一队为驻南昌的12架轰炸机，系中苏混合编队；一队为驻汉口的28架轰炸机。由武昌起飞的一队，因领航员计算有误，偏离了航向，被迫在福州机场降落，加油后返回，未能完成任务。汉口的一队到达松山机场上空时，日军毫无准备，共投弹280枚，击毁地面飞机12架、营房10栋、机库3座，焚毁该机场可用3年的航空油料，使松山机场1个月不能使用。
1938年5月20日，中国空军2架重轰炸机，由第14中队长徐焕升和第19中队副队长董彦博驾驶，跨海远征日本，在长崎、福冈上空。空投近百万份《告日本人民书》等各种传单，安全返航。时人称之为“人道远征”、“纸片轰炸”。这是日本历史上第一次遭外国飞机“轰炸”，在国际上影响极大。
武汉会战，由安庆失守算起，时间长达4个半月，大小战斗数百次，战场地幅包括江西、安徽、河南、湖北4省。双方兵力，日本用于进攻的编制人员约25万，会战期间曾补充4、5次人员，投入总兵力当在30万人左右；中国军队使用124个师，兵力高达75万。这是抗日战争中规模最大的一次会战。这次会战，不仅粉碎了日本妄图以武力迫使国民政府屈服的战略计划，而且严重打击了日军的有生力量。据日军发表的统计资料，日军第2军伤亡960人，第11军伤亡21886人，连同海军伤亡人数，总计约3.55万人。国民政府军委会军令部据各部队战斗详报统计的日军死亡人数为25.6万人。很显然，日本发表的数字偏低，而国防部发表的数字则偏高。根据日军战史透露的信息和日军被俘人员的交代，日军各师团伤亡人数并不相同，有的在半数以上，如第6、第106师团等；有的则较少，如第3，第16师团等，平均当在30％至40％之间，伤亡总数约10至12万人。中国军队伤亡人数，国民政府国防部史政局统计为阵亡254628人，恐亦难以准确。日军统计数字，可供参考。日军第2军统计该军当面的中国军队阵亡5.2万人，第11军统计该军当面的中国军队阵亡145439人，总计阵亡197439人。
广大爱国官兵作战是极为英勇顽强的。但军事委员会及有些高级将领在作战指导上有欠妥善，以致在消耗敌人的同时，过多消耗了自己。其中最重要的是，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；在会战过程中，经常处于被动地位，处处追随在敌人的行动之后，不少措施似“挖肉补疮”；在领导指挥体系上，受人事关系影响过大，许多兵力调配，不是以战争需要为依据，而是按派系及资历任官，职务与所属兵力不适应，造成层次过多的弊病，自军委会开始，要经过战区、兵团、集团、军团、军，尔后才能到达师。命令报告，转达费时，贻误战机；一个会战，由两个战区分别指挥，各行其是，难以密切协调，特别是将两个战区的分界线，划在日军主攻方向的长江水道上，尤属失误。