9月20日，日軍第2集團軍下令第10師進攻信陽，第3師在光山地區待機增援。9月28日，日軍第10師改編為馱馬部隊從光山出發向信陽進攻。

中國第17軍團所屬剛到戰場的第1軍與第45軍向羅山附近日軍展開攻擊，迫敵退守羅山城。日軍岡田支隊在羅山附近受到中國軍隊第17軍團所部從兩翼的圍攻，日軍第10師主力迂迴到羅山南側地區，向中國第17軍團右翼發動攻擊，中國第17軍團兩面受敵，被迫撤退。9月30日，日軍第10師在羅山以西繼續向信陽發動攻勢，又受到中國軍隊阻擊，激戰兩晝夜，才於10月2日夜突破中國軍隊陣地，在中國軍隊的持續阻擊下，日軍傷亡慘重，其中，步兵第39團由從廬山出發時的2800人，到9月末減少到不足800人。＇〔日〕防衛廳防衛研究所戰吏室：《中國事變陸軍作戰》（2），朝雲新聞社。1983年版，第147頁。＇

在這種形勢下，10月2日，日軍第2集團軍令第3師從光山出發，經羅山北側向信陽東北推進，策應第10師進攻信陽，於10月9日到達信陽東北15公里處的大洋河鎮，10月11日進至信陽北側，切斷了平漢鐵路交通線。日軍第10師岡田支隊於10月11日到達信陽東面，第10師主力到達信陽南面，與第3師一起包圍了信陽。10月12日，日軍在優勢炮兵火力和坦克掩護下攻佔信陽。中國守軍進行頑強抗擊，殲滅日軍2610人。10月16日，日軍第10師從信陽南下，沿平漢線西側向武漢推進，相繼突破平靖關、武勝關。中國守軍在桐柏山地區頑強抗擊日軍進攻。日軍第3、第10師於10月26日佔領桐柏山地區後，向孝感、應城推進，協同第11集團軍進攻武漢。

10月25日，日軍波田支隊攻佔陽新、大冶後佔領葛店，準備進攻武昌。

日軍第9師10月27日攻佔賀勝橋，切斷了粵漢線。日軍第27師從箬溪出發，10月18日攻佔辛潭鋪後，配合第9師向粵漢線推進，27日佔領桃林鎮。武漢已被日軍從東、南、北三面包圍。

為儲存軍力以利長期抗戰，國民政府軍委會於10月24日下令放棄武漢，撤退武漢地區部隊，長江南岸部隊�