兩個師馳援武漢，粵軍面對日軍第二十一軍三個師團和一個飛行團，兵力上並不佔優勢。

十月十六日傍晚，日軍第十八師團第二十三旅團攻佔博羅，並繼續前進，廣州形勢變得嚴峻起來。

軍事委員會得自廣州地區情況危急後，蔣介石如喪考妣，悔不聽從吳銘的的建議，只好抽調九江以南的第六十四軍和第六十六軍，從南潯路運回支援廣州。

十月十八日下午，日軍第十八師團的快速先遣隊進至增城東南的福田，十九日上午擊退守軍第一五六師一部，渡過增江佔領增城，餘漢謀調派部隊前往增援並實施反擊，但所調部隊均以各種理由推脫，未能及時到達。

隨後，第一五六師主陣地被日軍第十八師團主力突破。

十月二十日，第十八師團在增城以西擊退第一五四師後，沿著增廣公路兩側向廣州急近，第一〇四師團在第十八師團之後亦攻佔了廣九鐵路上的石龍。餘漢謀率其司令部於當夜後撤至清遠，僅留稅警團及少數憲兵、警察守備廣州，日軍第十八師團於二十一日下午不戰而佔領廣州。

日軍後續部隊第五師團主力在二十日到達大亞灣，因為第一階段作戰出人意料的順利，日軍原本定於二十七日在珠江口登陸的第五師團提前於二十二日登陸。

二十二日下午，日軍登上珠江口西岸大角島，大角島隨之失守。

當日下午，日軍又橫渡珠江，與日本海軍第二聯合特別陸戰隊協同，向東岸虎門炮臺進攻，守軍因連續兩天被日軍飛機、艦炮轟擊，於當晚撤走，虎門要塞遂完全為日軍佔領。

此時，日軍第九旅團及第一〇四師團已先後佔領平陵、從化等地。

至二十九日，第五師團又佔領廣州以南各地，日軍已完全控制廣州及附近地區，珠江三角洲全部淪陷。

達到作戰目的後，日軍轉為守勢，餘漢謀的第十二集團軍退至北江西岸與日軍對峙，而此時蔣介石派來增援的第六十四軍和第六十六軍尚未到達，廣東局勢迅速糜爛。

對第十二集團軍輕棄廣州，中外各界人士反應強烈，國民政府駐美大使胡適於二十三日致電蔣介石說：“廣州不戰而陷，國外感想甚惡。”

再看武漢戰場，沿江西進犯的日軍，於十月中旬進至陽新、大冶等地，之後日軍分兵前進，一路沿辛潭鋪至通山，一路沿三溪口至咸寧，一路沿大冶、金牛至賀勝橋。而在長江以北，中國守軍冒著毒氣奮戰，因傷亡太重，未能阻止日軍前進。

十月二十四日，日軍進至黃陂，此時武漢外圍要塞、防守陣地均被日軍攻陷，北、東、東南三面均處於日軍重重包圍之中，於是蔣介石只好下令長江兩岸的中國守軍全線撤退，並於當晚離開武昌飛赴衡陽。

十月二十五日，日軍第六師團第二十三聯隊於當晚佔領漢口北郊的戴家山陣地，波田支隊突破第五十師的防守陣地，佔領葛店。當日夜，武漢中國守軍各部均已按計劃撤離市區。二十六日日軍第二十三聯隊佔領漢口，波田支隊佔領武昌。

二十七日，配屬波田支隊的第十五師團六十聯隊佔領漢陽，第九師團攻佔賀勝橋，第二十七師團佔領桃林鎮，並正式切斷粵漢鐵路，但此時武漢守軍已撤至湘北及鄂西地區。

日軍佔領武漢後，華中方面軍以第二軍負責肅清安陸、應城以東地區的中**隊，同時命令岡村寧次的第十一軍繼續追擊，攻佔嶽州。

日軍第二軍第十師團於十月二十八日佔領安陸、花園等地，第十一軍於二十九日擬定了分三路進攻岳陽的作戰計劃，其中第九師團從武昌沿粵漢鐵路進攻岳陽，第六師團之第十一旅團與海軍協同，從漢口乘船溯江進攻岳陽，第二十七師團從咸寧以北南下，進攻崇陽、通城，以策應、掩護進攻岳陽部隊的左側背。

此時，第九戰區第二兵團張發奎部已大部轉移至幕阜山地區，所以日軍沿途未遭有力的抵抗。

第九師團及第六師團十一旅團在海軍支援於十一月十一日晚攻佔岳陽城，第二十七師團於十一月四日至六日先後攻佔通山、崇陽，與中國第九戰區的部隊隔江西的修水、湖南的新牆河對峙。

日軍佔領岳陽後，距離岳陽尚有一百三十多公里的長沙駐軍，根據蔣介石於十一月十二日上午九時的密令，為實行“焦土抗戰”，竟然於十三日凌晨兩時許，在長沙城內數百處同時放火，使得該城成為一片火海。

大火足足燒了三天三夜，全城被焚十分之九，燒燬房屋五萬餘棟，燒死百姓兩萬餘人。

武漢前線局勢稍定，日軍華中方面