刚开始富池口还没丢失，田家镇只是遭到冈村支队的攻击，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冈村支队，使得稻叶两次大规模增援冈村支队维持攻势。
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路36师主阵地。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。
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，只好向东久迩宫稔彦王求援。
9月11日，日军的增援部队16师团藤江惠辅率队到达富金山，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。
富金山战斗国民党失利之后，日军乘胜追击国军，连占六安叶集和商城，直逼小界岭防线。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军和30军来防守小界岭防线的沙窝，比较完好的冯安邦42军则独自防守小界岭防线的新店。守军三个军利用地形优势，顶住了日军一轮又一轮的猛攻。而时任光山县委书记的熊作芳，在国共合作共同抗日的背景之下，默默无闻地冒着枪林弹雨，沿着我的家乡熊河村至周河乡负责运送伤员，协助国民党进行后勤保障工作。
这就是在历史上留下浓墨重彩的沙窝白云山抗战。与商城富金山中日军队的角逐，历史上统称富沙抗战。
从9月18日一直打到10月下旬，宋希廉撤退至湖北境内之后，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两天了。
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月中旬后，全线溃败。
武汉外围要点尽失，更重要的战略决策失败，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多支，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”。
“更哀戚、更坚忍、更踏实、更刻苦、更猛勇奋进”。武汉会战，中国开始致力于全面、持久的抗战。
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”。
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——
日寇的速战速决的战略方针被彻底粉碎。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。