武漢會戰後，日本大本營為適應未來國際形勢的發展變化和侵華戰爭持久化，決定無特別重大必要，不再擴大侵佔地區，並將已佔領地區劃分為「治安區」和「作戰區」兩種，華北和京滬杭地區為治安區，配備相當的兵力，負責消滅游擊部隊等抗日勢力，維持「安定」，確保各主要交通線；武漢地區為作戰區，控置有力的機動兵團，實施局部攻勢，以不斷的短促出擊，殲滅周圍的中國軍隊主力，消耗其戰鬥力，打擊其抗戰意志。同時，積極扶植偽政權和進行戰略轟炸，企圖迫使國民政府屈服。1939年間，日軍分3期新建11個新制步兵師團（3聯隊制）、14個守備混成旅團（火力加強、機動力較小）。除第24師團調入關東軍外、其餘全調至關內戰場；而將原在關內的9個師團（第9、第10、第12、第16、第20、第101、第108、第109、第114師團）調回日本。並於9月成立中國派遣軍總司令部，設於南京。以西尾壽造為總司令官，統一指揮關內的侵華日軍，至1939年冬，關內侵華日軍共有25個步兵師團和20個步兵旅團、2個野戰重炮兵旅團和2個飛行團。總兵力約80萬人。
武漢失守後，中國軍隊主力扼守要地，與日軍對峙，分遣一部加強敵後游擊，同時抽調第一線部隊輪流整訓。1939年7月26日，美國廢除《美日通商航海條約》；8月23日，德蘇締結互不侵犯條約；9月1日，第二次世界大戰爆發；9月19日，美國在東京公開表示堅決反對「東亞新鐵序」。一連串國際事態的發展，對國民政府產生了積極的影響。10月29日，國民政府在南嶽召開第二次黨政軍聯席會議，蔣介石在講話中，一面介紹國際形勢，認為「已臨到勝利的一個大轉機」，說中國的抗戰，只有「與世界戰爭同時結束，才能獲得最後的勝利」；一面提出第二期抗戰的戰略，「應該是見到敵人的破綻，見到敵人厭戰怕戰不敢前進的時候，我們就立刻採取攻勢，決然攻擊前進」。要求「今後的戰略運用和官兵心理，一定要徹底轉變過來，要開始反守為攻，轉靜為動，積極採取攻勢」。此時，第二期整訓已大體完成。軍事委員會為給予日軍以更大的消耗，於是策劃發動冬季攻勢，將第二期完成整訓之部隊，分別增加至第二、第三、第五、第九戰區，作為主要攻勢地區，第一、第四、第八、第十、魯蘇、冀察等戰區，作為策應攻勢地區。
1939年11月中旬，軍委會指令各戰區的作戰任務是：「第一戰區，攻擊開封、博愛，牽制敵人。第二戰區，應首先切實截斷正太、同蒲兩鐵路之交通，並肅清晉南三角地帶之敵。第三戰區，應以主力約11個師，截斷長江交通，分由湖口、馬當，東流、大通、銅陵、荻港間，伺隙進攻，一舉突進江岸，佔領堅固陣地，並以輕重炮兵火力及敷設水雷，封鎖長江。第四戰區，應以一部相機攻略湖、汕，主力掃蕩廣九路及南寧之敵。第五戰區，掃蕩平漢線南段信陽、武漢之敵，進取漢口，並向漢宜公路之敵攻擊，截斷襄花、漢宜兩公路之交通。第八戰區，應以一部協同第二戰區作戰，主力攻擊歸綏附近之敵。第九戰區，應向粵漢北段正面之敵攻擊，重點指向蒲析、咸寧一帶，並向武昌挺進，同時攻擊南昌及南潯鐵路，進襲瑞昌、九江之敵。第十戰區，仍任原河防，並依晉南三角地帶攻擊之進展，準備以一部渡河擴張戰果。魯蘇戰區，應以廣正面由東西兩面向泰安、臨城間及銅山、滁縣間攻擊，以策應沿江方面之作戰。冀察戰區，應以主力切斷保定、邢台間及石家莊附近敵之交通，一部切斷滄縣、德縣附近敵之交通，以策應山西方面之作戰。」
日軍偵知中國軍隊將發起冬季攻勢後，一方面加強各要點的防禦，增強其兵力裝備和工事；一方面組織出擊，以進行牽制。同時，各師團均組成一支機動部隊，準備隨時投入不利之地點。並將12月初已撤離南昌、安義，奉命回國，集結於九江等船的第101，第106師團，暫留該地，以作為應付冬季攻勢之戰略性機動兵團。
第一戰區於12月1日開始行動：第3集團軍以豫皖邊區游擊隊切斷蘭封東西一段隴海路，以第81師一部向蘭封，主力向開封襲擊，12月17日突入開封，焚毀日軍第35團所屬部隊的一個指揮部及倉庫；21日，騎兵第2軍一部，襲擊商丘，焚毀日軍機場汽油倉庫；1940年元旦，第9軍第47師，一度攻人沁陽，殲日軍一小部；新5軍、第47軍等，曾進出至安陽附近，並破壞了湯陰南北鐵路橋，使交通中斷數日。
第二戰區於12月10日開始行動，由於日華北方面軍採取主動出擊、以攻為守的方針，令第37師團為主的部隊首先進攻中條山，所以戰區主力第4、第5、第14集團軍僅進行了阻擊日軍的作戰；第27、第40軍等攻擊晉東的日軍，一度攻入黎城、涉縣、路城。
第三戰區於12月16日開始行動。以第32集團軍及第10集團軍，分別襲擊南昌、杭州日軍，以第18、第25、第86、第21、第58軍共14個師，編力長江方面攻擊軍，區分為左、中、右3個兵團，沿長江攻擊日軍第116師團各要點，並在大通、獲港間襲擊日艦，布放水雷，將長江航道遮斷。9日，日軍第11軍以第101、第106師團增援反擊，攻勢受阻。第三戰區令各集團軍退守原陣地，改變戰法，以小部隊分向江岸行廣正面滲透，邀擊日艦。第32集團軍曾於12月12日和18日，以游擊小部隊潛入南昌進行襲擾。第10集團軍一部兵力，於12月13日晚分別襲擾杭州富陽、餘杭等地，焚毀一些倉庫。日軍於1940年1月21日實施反擊，攻佔蕭山。
第四戰區在攻勢行動時，日軍先行發動攻勢。廣西方面，日軍發動南寧會戰；廣東方面，日軍第21軍以第104師團主力及第18師團一部，於12月8日分沿東江及粵漢路北進。至12月末，攻破翁源、英德。第54軍增援到達，經戰鬥，日軍於1940年1月16日撤回原陣地。
第五戰區於12月12日開始行動，將部隊區分為6個兵團：以第2集團軍第68、第92軍及豫鄂邊區游擊總隊共4個師1個游擊總隊，為豫南兵團，由平漢路以西、信陽南北地區向日軍進攻，並派部隊破壞信陽外圍交通。15日，信陽日軍發動反擊。1940年1月3日，第31集團軍（第13、第85軍）加入作戰，向花園、廣水方面進攻，7日攻佔花山。日軍第3師團實施反擊，於18日攻破高城，激戰5日，日軍撤走。以第22集團軍（第41、第45軍）、第39軍及第1游擊縱隊共6個師、1個游擊縱隊，為左翼集團，由隨縣向其以東之日軍第3師團攻擊，一度進展至昌水以東，遭日軍反擊後撤回隨縣一帶，與日軍交戰。以第33集團軍（第55、第59，第77軍）及第29集團軍（第44、第67軍）共11個師為右翼集團，東渡襄河，向鍾祥及其以南的日軍第13師團攻擊。日軍發起反擊，雙方對峙於長壽店、鍾祥之線。以第75、第41軍、第128師及鄂中游擊隊為江北兵團，由沙陽、新城等處東渡襄河，向皂市攻擊，策應右翼集團之作戰。日軍增援後反擊。12月22日，兵團退守河西。以第70、第48軍及游擊部隊為鄂東遊擊軍，由平漢路以東向廣水、信陽線上日軍第39師團進行攻擾，以牽制日軍行動。以第84軍為預備兵團，控置於棗陽。
第八戰區於12月18日開始行動。以第35軍（約2個師）攻擊包頭，第81軍一部攻擊安北（大余太），以騎兵第6軍攻擾及破壞綏包路，阻止日軍增援。20日晨，第35軍一部以奇襲突人包頭市內，以主力設伏殲援。駐固陽之日軍第13騎兵聯隊中伏，被殲大部。安北戰鬥亦予日軍重創，第4騎兵聯隊長被擊斃。包頭戰鬥持續至23日，方撤出市區。1940年1月，駐蒙日軍集中第26師團及騎兵集團主力進行反擊。2月3日佔五原，4日佔臨河，5日佔抗錦後旗。2月中旬，撤回包頭。留於五原之一部日軍及偽軍，3月間被全殲。
第九戰區於12月12日開始行動，以第1、第19集團軍主力（5個師強）向靖安、大城日軍第34師團攻擊，一部向永修、德安進出，破壞南潯路交通；以第30集團軍主力（4個師）向箬溪、武寧攻擊，牽制日軍第33師團，一部向陽新一帶出擊，破壞咸寧、武昌間之交通，並掩護第27集團軍之後側背；以第27集團軍（6個師）向通山、咸寧、崇陽、蒲圻攻擊，爾後向西包圍日軍第6師團；以第5集團軍一部（約5個師）向通城，岳陽附近攻擊，以牽制日軍第6師團。至1940年1月，一度攻破靖安及通山、陽新附近之一些據點，但傷亡較大；後停止強攻，改為破壞交通為主，粵漢、南潯路及湘、鄂、贛邊區交通設施，多被破壞。
1940年3月末，軍事委員會下令備戰區停止攻擊。
此次冬季攻勢作戰，歷時3月，殺傷日軍數萬人，俘400餘人，獲火炮11門、步槍2700餘支，破壞交通及軍事設施甚多，在戰略上達到消