1943年是世界反法西斯战争发生转折的一年，盟军已开始进行反攻。
欧洲战场方面，苏联已收复大部被德军占领的国土；墨索里尼法西斯政权垮台，意大利投降并对德宣战。太平洋战场方面，美军已在布干维尔、新下列颠等岛登陆，基本上掌握了制空、制海仅，正向东南亚进行反攻。
中国战场方面，中国空军和在华美国空军都有所加强，大陆制空权己转移到中国方面；以桂林、柳州、衡阳、遂川等基地，不断对东海及长江的日军舰船进行攻击。特别是11月25日，中美空军空袭台湾新竹机场，对日本威胁极大。
日本大本营认为，美军正在太平洋节节进攻，“万一海上正面发生问题，对在南方的50万军队不能坐视不救”，“无论如何也必须考虑确保中国大陆和南方的联系”。因而，决定在1944年发动一次贯通中国南北、联接南佯交通线的大规模进攻。并为此与中国派遣军总司令官畑俊六协商。畑俊六在其1944年12月3日的日记中记载：“船只遭受损失越来越严重，如不采取对策，将对作战带来障碍。为此，中央提出打通粤汉路，与法属印度支那联系起来，以确保与南方的交通的意见，要求派遣军对打通粤汉的作战进行研究，但这需要从满洲和国内抽调所需的兵力。”当时，大本营组织这次会战的目的是：“打通粤汉、湘桂以及京汉铁路南部，实现与南方地区的铁路联络，同时摧毁铁路沿线重要地点上的敌航空基地，以阻止在华美军空袭我本土。消灭上述敌航空基地，也包括华东南的基地，以制止敌人对我航行于中国东海上船只的破坏活动，”
1944年初，中美空军活动加强，仅1月上旬即空袭日军12次。1月14日空袭台湾的高雄、盐水等地。特别是1月4日，美陆军航空部长亨利·阿诺德发表消息，说今后15个月内将生产飞机14500架，年内即可将“B29”超级重轰炸机用于第一线，轰炸日本本土重要工业区及军事设施，以削弱日陆海空军的抵抗力。当时，能对日本本土进行大规模空袭，主要靠中国基地。这引起日本统治集团的震惊。按照陆军大臣东条英机的意见，将会战目的改为“以摧毁中国西南要地各飞机场，以保障本土及中国东海的安全力第一目的，打通大陆交通线，以便在海上与南方交通切断后，仍可经大陆运输南方的物资，以加强战斗力为第二目的”。同时决定取消从中国战场抽调5个精锐师团赴太平洋战场以及集结另外5个师团的命令，并从关东军抽调大量部队投入这次会战。
1月24日，经日本天皇批准。25日，大本营下达“大陆命第921号”作战命令“大陆指第1810号”指示，同时颁发作战纲要。
中国派遣军根据大本营的命令及纲要，于3月10日制订出作战计划。
其作战目的是：“击败敌军，占领并确保湘桂。粤汉及京汉铁路南部沿线要冲，以摧毁敌空军之主要基地，制止敌军空袭帝国本土及破坏海上交通等企图，同时摧毁重庆政权继续抗战之意图。”
其作战方针是：“派遣军于1944年春夏季节，先由华北，继由武汉及华南，分别发动进攻……1945年1月、2月份，攻占南宁附近，将桂林至谅山通道打通并确保之。”
其作战指导的主要内容是：一、京汉作战，4月下旬，华北方面军发动攻势，击破第一战区部队，占领并确保京汉铁路南部各要冲；第11军及第13军各一部，策应支援华北方面军的作战；作战期限预定一个半月。二、湘桂作战，6月初和7月底，第11军和第23军先后分别发动攻势，占领并确保粤汉铁路北部沿线要地和湘桂铁路沿线及西江沿岸要地，进而占领并确保粤汉铁路南部要地，预定主要作战期限为5个月；根据情况尽快对遂川及南雄附近飞机场群发动摧毁作战；1945年1、2月前后，第23军攻占南宁，打通并确保桂林至谅山通道，南方军将由谅山方面予以策应。
日华北方面军于3月31日遵照其大本营所下达的战斗序列，重组第12军，以担负打通平汉路南段的作战任务，其编成为：军司令官为内山英太郎，所属部队有第37师团（长野佑一郎）、第62师团（本乡义夫）、第110师团（林芳太郎），第27师团（竹下义睛）、战车第3师团（山路秀南）、独立混成第7旅团（多贺哲四郎）、独立步兵第9旅团（长岭喜一）、骑兵第4旅团（藤田茂）。军直辖部队有野战重炮兵1个联队，野炮、山炮、高射炮各1个大队，工兵2个联队又2个大队，独立步兵3个大队。另有第2飞行团协同作战。这时，日军各师团的编制已改为3联队制，每师团定额14205人、军马2908匹、汽车113台，总计兵力14.8万人，军马33000匹、火炮269门，战车219辆、汽车6100辆，支援飞机168架。
太平洋战争爆发之后，中国国民政府战略方针的基本精神是：“力求以连续局部攻势，牵制日军于中国大陆，并以精锐部队人缅，协力盟军作战，以求盟邦之共同胜利。”但事实上，虽然也曾发动过局部攻势，但最根本的指导思想是保存实力，等待盟军基本上击败日本后，再实施所谓反攻，获取“共同胜利”。由于这种消极思想的影响，在国内作战的政府军队，特别是中央谪系部队，不少单位的战斗力严重下降。1943年盟军开始反攻，日本在太平洋战场连续失利。军事委员会对日本为加强战略防御而发动一场大规模进攻的可能性，完全没有估计到。在日本大本营和侵华日军调兵遣将，积极进行“1号作战”的准备时，蒋介石正以第8054号手令命军委会拟制“对于黄河南北两岩，及长江南岸之总反攻计划”。
1943年11月4日和1944年3月7日的《国民总反攻作战寻计划大纲》甲、乙两案规定：“依全般态势之变化，倭寇有总崩溃之征兆时”，“各战区应不夫好机，同时反攻”。丝毫没有防御日军大规模进攻之准备。平汉路南段，属第一战区，战区司令长官为蒋鼎文，副长官为汤恩伯，所属部队有：第15集团军（何柱国），辖骑兵第2军（廖运泽，骑3师、暂14师）、骑8师、暂1、暂2、暂3旅；第19集团军（陈大庆），辖暂9军（霍守义，第111、第112师、暂30师）；第28集团军（李仙州），辖第85军（吴绍周，预11师、第110、第23师）、第89军（顾锡元，第20师、新1师）、暂15军（刘昌发，暂27师、新29师）；第31集团军（王仲廉），辖第12军（贺粹之，第22、第29师、暂55师）、第13军（石觉，第4、第81、第117师）、第29军（马励武，第90、第193师、暂16师），第78军（赖汝雄、新42、第43师、第441师），以上部队均属副长官汤恩伯指挥。还有第4集团军（孙蔚如），辖第38军（张耀明，第17师、新35师）、第96军（李兴中，第177师、新14师）；第14集团军（刘思藏），辖第15军（武庭麟，第64、第65师）；刘勘兵团，辖暂4军（谢辅三，第47师、暂4师）、第9军（韩锡候、第54师，新24师）；第36集团军（李家鲸），辖第47军（李宗阳，第104、第178师）；第39集团军（高树勋），辖新8军（胡泊翰，新6师、暂29师）、第14军（余锦源，第83、第85、第94师）。总计42个师又3个旅，总兵力约40余万人。
会战开始前，第一战区防御部署是：第4集团军位于郑州以西，汜水，巩县、黑石关一带，向北防守黄河南岸至郑州铁桥一线阵地；第28集团军及第78军位于郑州黄河铁桥两侧及以东至新郑铁路两侧，防守至黄泛区西缘的鄢陵、扶沟一带阵地；第31集团军位于许昌、漯河以西，嵩山以南临汝、郊县、宝丰、舞阳地区，为机动兵团；第15军位于战区长官部所在地洛阳外围；第14军第94师防守洛阳城，黄河南岸郑州铁桥两侧之阮庄、韩洞至以西霸王城附近之鸿沟山区，有日军2个大队，是1941年策应长沙会战攻占郑州后撤回北岸时留下的。2年多以来，第一战区竟未能将这个只有2个大队的桥头堡阵地夺回来。
日华北方面军的作战设想是：“作战分两阶段进行，首先突破正面敌军阵地，将主力集结于黄河南岸，尔后佯作沿京汉线南下，以郑城为轴心，使主力向西迂回，围歼第一战区敌军，特别是汤恩伯军。作战目标为洛阳，根据情况亦可在许昌附近向西迂回。在此期间，以一部兵力打京汉线，与武汉地区连接起来。”日军第12军考虑桥头堡正面第一战区防守力量较强，因而决定以一部兵力先由开封方面西渡黄泛区，进攻郑州、新郑，进至正面守军后方，军主力再从桥头堡方面发动进攻，以形成夹击形势。1944年4月17日夜，日军第37师团及独立混成第7旅团，分由中牟东、西5处强渡黄泛区，击退守军暂27帅后，继续西进。其第227联队第1大队于19日凌晨前出至郑州，利用长梯、攀绳，在火力掩护下登上城墙，因兵力太少，未敢下城，仅占据一段城墙。但守军第85军和第78军各一部，全部撤走，郑州为日军1个大队占领。第37师团第225联队在击退守军新29帅后，于19日晚占领郭店。独立混成第7旅团未遇抵抗，于21日凌晨到达新郑，拂晓开始攻城，8时攻入城内。守军新29、新42师的部队撤走，日军占领新郑。
日军第12军主力之第110师团及第62师团进攻开始前数日，即已通过郑州铁桥，分别进至霸王城和铁路两侧桥头堡阵地内。第110师团于4月19日晨开始进攻，10时许，突破守军阵地；第62帅团于19日晚开始进攻，22时许，突破守军阵地。激战至20日上午，守军第85军向西南山区撤退。21日荥阳失守，23日密县失守，24日长葛失守。此时，守军第28集团军退守鄢陵、许昌，第4集团军扼守马驹岭、虎牢关，第89军防守郾城、遂平，第78军防守舞阳，叶县、襄城一带。第31集团军控制于登封、禹县、鲁山间地区。日军战车第3师团、第27师团及骑兵第4旅团，先后通过郑州铁桥，进至郑州地区。稍事准备后，于30日开始进攻许昌。许昌守军为暂15军新29师及暂27师一部。日军第12军令第62师团进出至许昌西南地区，切断守军向西南山区撤退和由西南增援许昌的通路。令第37师团从北、西、南3个方向攻城，令独立混成第7旅团从东面攻城，令战车第3师团以一部协同第7旅团作战，将第27师团控制于许昌以北机动。29日夜，第62师团首先行动，迅速攻占第20师防守之颖河两岸阵地，掩护其他部队进入攻击出发地位。
4月30日拂晓。在炮兵及航空兵人力支援下，攻击开始。守军依托工事顽强抗击，日军伤亡甚众。激战至17时30分左右，第37师团第225联队及战车第3师团第13联队，分别由许昌西城和南城突入城内。守军当夜于城东北角突围，5月1日上午，日军占领许昌。当日9时，日军第12军司令官内山英太郎于新郑下令，命军主力从平汉路向西进行右回旋，围歼在登封一带的第一战区主力汤恩伯集团，第37师团以一部归第27师团指挥，继续南下，进攻郾域。俟与武汉北上接应的部队会合后，第27师团即转隶第11军。第237师团及第37师团第227联队（配属1个步兵大队、1个山炮中队）于5月）日夜由许昌南进，5月5日拂晓开始进攻。当日下午，分别攻占漯河和郾域。守军第89军新1师向东撤走。武汉地区日军第11军根据中国派遣军的命令，在日军第12军占领许昌时，派独立步兵第11旅团长官下文雄率其7个大队，于5月1日夜由信阳北上，2日至明港，3日拂晓至新安店。由于防守确山一带的第五战区第68军部队不战而走，日军第11旅团于当日占领确山。日军第27师团先头部队仅受轻微抵抗，即于5月7日占领遂平，9日进至确山，与第11军第11旅团会合。平汉路南段被日军打通。当日军第12军南进时，驻于上海地区的日军第13军奉中国派遣军之命，派第65师团长太田米雄率第71旅团和第64师团第69旅团，于4月25日开始，由风台，正阳关向颖上、阜阳进攻，以牵制位于平汉路以东的第15、第19集团军，策应第12军的作战。太田米雄恐孤军深入被歼，在27日占领颖上后，即缓慢前进，至5月6日，9天时间仅前进约30公里。当日军第27师团占领遂平，平汉路基本打通时，太田米雄于5月8日率所部返回原防。
5月2日，日军第12军主力开始。对登封地区之汤恩伯集团进行包围。第110师团向登封、第62师团向禹城进攻，战车第3师团、骑兵第4旅团及第37师团主力向郏县，临汝突进，独立第7旅向襄城进攻。汤恩伯集团各部队战斗至5月4日，禹城、郏县于3日失守，襄城、临汝于4日失守。日军战车第3师团之机动步兵第3联队及战车第13联队一部，已突进至洛阳南方的龙门附近。汤恩伯集团遂于5日向伏牛山区撤退。
为了策应第12军作战，华北方面军令第1军派第69师团长三浦忠次郎率其第59旅团5个步兵大队及独立混成第3旅团的3个大队，于5月9日夜由垣曲渡黄河，攻略渑池，以阻止第八战区部队东援，为加强进攻洛阳的力量，还调防守北平的第63师团长野副昌德率所属步兵第67旅团及3个独立步兵大队赶至郑州，指挥独立第9旅团及第12野战补充队参加进攻洛阳。5月10日，冈村宁次下达命令、令“第12军以一部兵力歼灭临汝西南和嵩县方面的重庆军，同时以主力迅速向宜阳、新安挺进，进入洛阳西方；第1军应迅速向洛阳方面推进；第63师团击溃洛阳以北重庆军后，向新安挺进。以上东、西、南互相呼应，围歼第一战区军，进而攻占洛阳”。
日军第1军于11日攻占英豪车站，12日占渑地。守军第47军撤向卢氏。宜阳地区的刘勘兵团在日军围攻下，亦于13日向西南撤退。在日军第12军实施追击时，华北方面军于14日令第63师团进攻洛阳。5月18日晚，第63师团开始进攻。虽有大量炮兵和飞机的火力支援，但在守军坚强抗击下，激战至19日上午，仍无进展。当日中午，又增派战车第13联队和第110师团2个大队投入战斗，依然毫无进展，而且伤亡甚大。冈村宁次决定令第12军指挥第63师团全力进攻洛阳。24日13时，日军发起总攻。守军弹药殆尽，艰苦支持至22时，日军战车已突入城内，遂由东南角徒涉洛阳河突围撤走。25日洛阳失守。豫南会战基本结束。虽然汤恩伯集团撤退迅速，未被口军围歼，致日军的战役企图未能全部实现，但以数十万之众，据经营数年之久的国防阵地，仅作战30余天即丧失城市38座，损失兵力十余万，使日军轻而易早地打通了平汉路南段，不能不说是抗战意志衰退和保存实力思想造成的恶果。
1944年春，武汉地区日军第11军共有8个师团、1个旅团。为了进行长沙、衡阳会战以打通粤汉路北段，日本大本营除将参加豫南会战的关东军第27师团、战车第3联队和炮兵4个大队转隶第11军外，还为其组建了第1、第2、第5、第9、第10、第11野战补充队（相当旅团）；日中国派遣军又将第64师团和独立步兵第5、第7、第11、第12旅团调至武汉。1944年5月9日，将留于武汉守备的第39师团、独立混成第17旅团及独立步兵第5、第7、第11、第12旅团等部队编为武汉防卫军。第11军司令官横山勇率8个多师团及配属的炮兵、战车部队共36.2万人、军马6.7万匹、火炮1282门、战车103辆、汽车9490辆，以长沙、衡阳为目标，准备发动打通大陆交通线的第二阶段的进攻作战。另有第5航空军第1飞行团（6个飞行战队，2个飞行中队）约160架飞机支援作战。5月25日，洛阳失守的当天，日中国派遣军总司令官烟俊六到达汉口，亲自指挥这次会战。作战开始前，将兵力区分为两线：第一线5个师团，展开于华容、岳阳、崇阳地区，第40师团在湘江东，第116、第68、第3、第13师团在湘江西；第二线3个师团，第34师团集结于蒲析附近，第58师团集结于监利附近，后续之第27师团集结于蒲圻以北铁路沿线。
第九战区当时主要作战部队有3个集团军，10个军。会战开始前后，军委会又从第三、第六、第四战区调来7个军。总计参加会战的兵力为52个步兵师，约50余万人。另外有中美空军轰炸机68架、驱逐机113架支援作战。第九战区与日军第11军在湖南已有3次作战经验。战区司令长官薛岳发觉日军有进攻长沙企图时，仍按以往的方针，以一部兵力利用新墙河、汨罗江及洞庭湖两岸之既设阵地，节节抵抗，迟滞其前进，主力则分别集结于创阳、长沙、衡阳及湘江以西之要地，诱敌进入重兵地区，进行包围、分割，予以歼灭。其部署为：第1集团军警备梁家渡、市汉街、高安、奉新、靖安之线。新10师控制于樟树，新11师控制于分宜。第30集团军警备武宁，九宫山、通城，九岭之线。新15师控制于修水，第27集团军警备黄岸市、新墙、鹿角、磊石山之线。第133师控制于长乐街；第99军任营田、湘阴、芦林潭、沅江、汉寿一带江防、湖防。战区直辖部队，第37军一部警备阳罗江，主力集结于瓮江、浯口，第4军警备长沙，第44军集结浏阳，暂2军集结株洲、渌口，第10军集结衡山、衡阳。
日军为求吉利，选择其海军在1905年在对马海峡战胜沙俄海军的5月27日（日本海军节）发动进攻。1944年5月27日拂晓，日军分3路南下：左翼第3、第13师团由崇阳地区进攻，突破第72军阵地后，于6月1日攻占平江，又击退第58军及第44军的部队，于6月14日攻占浏阳；右翼第40师团。由华容地区进攻，突破第99军防线后，于6月5日攻占沉江，12日占领益阳，16日与第58师激战于宁乡；中路第68、第116师团由岳阳地区进攻，迅速击退第20军一部渡过新墙河，31日再渡泪罗江，6月8日攻占湘阴，10日强渡浏阳河，15日攻占株洲，对长沙形成包围，此时，第2线3个师团亦已投入战斗，16日开始，第34师团及第68师团第57旅团猛攻岳麓山，第58师团攻击长沙城。防守长沙城及岳麓山的第4军3个师依托既设阵地，抗击至18日晨，军长张德能放弃长沙退走永丰，得突围者仅2000余人。
为了策应日军第11军作战，中国派遣军令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队不向湖南调动。6月10日，沿铁路两侧攻击前进。12日攻占龙游。以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗，第105、第145、第146师亦投入反击。日军驻金华的独立步兵第104大队增援后，守军退守衢州城。6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。守军撤退至衢江，因船只下足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭、伤亡甚大。日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军、反而损失1000余人。看来，仍是保存实力思想造成的，日军第70师团占领衢州后，认为牵制任务已经完成，于27日开始撤回金华。
长沙失守后，军委会令薛岳确保衡阳。日军第11军将主力停止于攸县、醴陵、湘乡一带，令第68、第116师团及第34师团第218联队进攻衡阳。6月28日，日军开始进攻，遭守军第10军（方先觉）的坚强抗击，在飞机、大炮支援下，猛攻至7月2日，仅前进1公里，部队伤亡很大，第68师团长佐久间为人及参谋长均负重伤，弹药亦将告馨。横山勇被迫下令暂停攻击，进行休整补充。当日军进攻衡阳时，薛岳令第30集团军总司令王陵基指挥第26、第58、第72军实施反击，6月28日收复萍乡，7月4日进攻醴陵，几乎全歼日军骑兵第3联队。后日军第27师团等多路增援到来，于10日又夺占醴陵。
日军第68、第116师团经休整补充及加强炮兵后，于7月11日上午开始第2次攻击。虽然以大量火炮进行轰击，仍遭到守军英勇抗击，日军第116师团之精锐部队第133联队3个大队的大队长相继阵亡，每大队仅余不足100人。连续激战10昼夜，至7月20日，横山勇见久攻不下，伤亡惨重，再次下令停止进攻。经整顿补充后，增调第58、第13师团及军炮兵队，于8月4日在第1飞行团直接支援下，发动第3次攻击。但在守军的拼死抵抗下，激战至8月7日，多次冲击均被击退，第68师团第57旅团长志摩源吉阵亡，仅第58师团独立第93大队突破小西门阵地，到达市区边缘。此时，衡阳外困的中国军队第79，第100、第62军等正由衡阳以西奋力向衡阳突进，企图解衡阳之围。阻击第62军的日军第40帅团第234联队伤亡惨重。其第3大队的4个中队，最多者剩24人，最少者仅剩2人。中国军委会调来增援的第74军、机械化第200师、第48师及战车第3团等，均将到达衡阳地区。但就在这时，英通抗击日军达47大的第10军军长方先觉，于8月7日夜派参谋长孙鸣全与日军联系，8日晨，与日军第68师团长堤三树男在城南天主堂会见，率其第3、第190、预10师及暂54师的4个师长及残部13306人（大部为重伤病员，能战斗者约4000人）放下武器，停止抵抗。衡阳为日军占领。日军第11军高级参谋岛贯在当天的日记中写到：“上午8时克衡阳……我方面对前来解围的敌军，多少有些动摇……如固守衡阳之敌誓死决一死战，或将出现‘英帕尔’的结局”（1944年新1军第15军从缅甸进攻印度英帕尔，惨败而归，10万人仅剩3万人）。
衡阳失守后，中国军队以一部在衡阳以西攻袭日军，主力撤至洪桥一带。9月1日，日军第3、第13、第40、第58师因向零陵、全县，第116、第37师团向邵川进攻。守军第37军在常宁，第79、第62军在白鹤铺，大营市一带，第74、第100军在渣江、永丰一带，稍事抵抗后再次后撤。日军于9月5日攻占祁阳，7日攻占零陵，12日占道县，14日不战而占领筑有坚固国防工事的全县。长衡会战结束。此役，中国军队阵亡及被俘9万余人，损失大量武器装备。日军伤亡近5万人。会战后，日军送方先觉返回重庆，不久后出任青年军第207师师长。
1944年秋，日军在印缅战场进攻英帕尔失败；在中国驻印军的进攻下，在缅甸北部也连连失利。太平洋战场，美军全歼塞班岛日军，并登陆关岛。日本大本营考虑到美军很快将进攻菲律宾、冲绳岛、台湾及日本本土，于7月21日制订了准备在本土等地决战的《陆海军今后作战指导大纲》。为适应新的情况，8月26日下令组建第6方面军，统一指挥中国战场两湖、两广地区的作战，继续完成打通大陆交通线的任务。方面军司令官为冈村宁次，下辖第11、第23，第34军及第20军（9月28日以方面军直属部队组成）。
1944年10月7日，日军第6方面军拟定进行湘桂会战的作战计划。其中心内容是：以第11军（横山勇）6个师团沿湘桂路进攻桂林，以第23军2个师团、1个混成旅团沿西江西进，以1个混成旅团由雷州北进，进攻柳州、南宁。在日军第11军进攻洪桥时，日军第23军已由广东沿西江两岸向梧州方向进攻。第23军司令官为田中久一，参加进攻的部队为第22、第104师团和独立混成第22、第23旅团。9月9日开始分路西进，沿途击退中国各地方部队及第135、第155师，于13日占新兴，16日占肇庆，22日占梧州、容县，28日占平南及丹竹机场，10月12日攻占桂平及蒙墟。
第四战区司令长官张发奎认为日军第23军对柳州侧后造成严重威胁，而现有兵力又不足以桂林及柳州同时进行主力决战，于是决心先对占领桂平、蒙墟的日军实施反击，命西江方面军总司令邓尤光指挥第64军（配属广西绥署第1纵队）、第46军（欠2个师，配属第188师）第135师及绥署第2纵队等，于10月21日对日军第23军发动进攻，战斗9天，毫无进展，被迫撤退。日军乘势追击，于10月3日占贵县，4日占武宣，前进至柳州以南约70公里的良江、来宾一带。
当日军逐渐迫近柳州、桂阳时，第四战区为保卫桂柳，于10月9日对准备参加作战的部队重新编组。其指挥系统为：司令长官张发奎下辖桂林方面军（夏威，第46、第31、第93、第79军，共9个师及特种兵）、西江方面军（邓龙光，第35集团军、第16集团军一部，共4个师、2个纵队）及直辖第62、第64军，共4个师及炮兵。总计24个师，约15万人。
日军第11军接受了进攻衡阳开始时兵力不足而受阻的教训，决定以3个师团又1个联队、4个炮兵联队又4个炮兵大队和1个战车联队进攻桂林；以2个师团进至桂林东南大圩、干乐地区，以阻止守军增援，并随时准备加入攻城战斗；另以1个师团负责后方警备。当11月初开始前进时，沿途仅遇到轻微的抵抗，判断守军兵力薄弱，横山勇遂改变原来经中国派遣军和第6方面军原制的计划，令第3、第13师团转攻柳州，仅以第58、第40、第37师团进攻桂林。11月4日，日军对桂林发起总攻。防守桂林的指挥官是第16集团军副总司令韦云淞，直接守城的部队是第31军第131师、第46军第170师及第98师残部合编成的1个团。经5天战斗，桂林外围磨盘山、茅单岭、七星岩、笔架山等据点，守军牺牲殆尽，全部失守。
9日拂晓，日军开始攻城。在兵力、火力均占优势的日军猛烈进攻下，守军拼死抵抗，但城外各部队始终未对攻城日军作有力的牵制、反击。血战至10日，守军所剩无几，仅第31军军长贺维珍率一小部突出包围。防守司令部参谋长陈济桓、第31军参谋长吕旃蒙、第170师副师长胡厚基等，均力战而死。第131师师长阚维雍在掩护防守司令部及第31军司令部突围后，壮烈自杀。桂林为日军占领。同日，柳州也为日军攻占。日军第3、第13师团攻占柳州后，向西追击，15日占宜山，17日占忻城，21日占金城江。21日，横山勇电令，命第13师团追击至独山，命第3师团追击至都匀，将该地交通设施及军用物资全部彻底毁坏后，返回广西。日军在击退第97军的阻击后，于28日攻占南丹，12月2日袭占独山，3日攻占荔波，于4日开始南撤。
日军第23军第22师团及独立混成第23旅团于11月24日未经战斗即占领南宁，在越南西贡的日本南方军司令官寺内寿一令第38军第21师团派1个加强联队，进军广西，与其第22师团会合。第21师团第83联队（配属1个步兵大队及炮兵、工兵部队）于12月10日与由南宁南下的日军第22师团在扶绥南之绥渌会合、最后打通了由华北纵贯大陆至印度支那的交通线，并占领7个空军基地和36个飞机场。
豫湘桂会战的结果，虽然未能改变日本法西斯日趋失败的命运，但使中国损失军队50余万、武器装备数千吨，并使第一战区丧失了其战略价值。特别是美军在华空军基地的丢失，使陈纳德竭力主张、罗斯福积极支持的“空中战略”失败，从而寻致美国对日战略和对华政策的改变。