徐州失守後，武漢成為日軍進攻的首選目標。日軍本準備以主力直下鄭州和開封，然後沿平漢路南下，與準備用於長江方面的一個軍合攻武漢。但因黃河決堤擋住了河南境內日軍的進攻勢頭，日軍被迫改變作戰路線，以主力沿長江兩岸，一路沿大別山北麓西進合攻武漢。日軍大本營認為，攻佔武漢、控制中原要地將是壓迫中國政府投降、結束戰局的最好機會。
1938年六七月間，已是初夏時分，這年的長江流域迎來了特別悶熱的季節。6月中旬，日軍已經佔領了安徽境內的安慶，然後沿著長江水道西上，直取安徽、江西交界處的江防要塞馬當。在這裡，有39艘船隻被鑿沉，躺在江底充當障礙物，還投放了1600多個水雷，外加30處人工暗礁。但日軍乘中國部隊換防的間隙以及增援緩慢，用了3天時間佔領了馬當，接著迅速穿過彭澤，準備直逼湖口、九江。由於初戰意外的順利，因此日方樂觀地認為，只要一個月，就有望攻下武漢。
7月17日上午，岡村寧次中將乘飛機從南京抵達長江南岸的彭澤，準備進攻江西的門戶湖口與九江。兩個星期前，日本大本營已經任命岡村寧次為第十一軍司令官，統帥日軍第六、九、二七、一〇一、一〇六師團，以及其他部隊，總兵力15萬人，沿長江兩岸西上，是攻佔武漢的主力。日本海軍在長江中協助他的進攻，並負責補給的運輸。陸上協助他進攻的是第二軍，有第三、十、十三、十六師團，以及特種作戰部隊，由具有皇室血統的東久邇宮稔彥王中將指揮，總兵力12萬人，它將在合肥集結，然後沿淮河與大別山北麓向西進攻，從北面壓迫武漢。直接指揮岡村寧次的是華中派遣軍司令官俊六。南到杭州，北到包頭，日軍到處抽調兵力，並忙於將會戰所需要的兵員和武器向長江一帶集結。
中國軍隊早已嚴陣以待。6月14日，中國政府在武漢衛戍司令部基礎上組建了新的第九戰區，負責江南與長江兩岸的防守。衛戍司令陳誠將軍出任戰區司令。這位矮小勤勉的將軍要對付的正是岡村寧次的第十一軍。在戰前他就曾經在武漢整編軍隊，監督建造國防工事。蔣介石把精銳主力交給這位愛將，最多的時候第九戰區集中了多達70個師的軍隊，與岡村寧次的兵力達到了10∶1的比例。他手下分成了薛岳將軍的第一兵團和張發奎將軍的第二兵團。主力集結在鄱陽湖以西地區的長江南岸，迎擊日軍第十一軍的攻勢。江北及大別山區的防禦則交給了第五戰區。戰區司令李宗仁此時不幸染病而將職權交由長期搭檔、副總參謀長白崇禧代理。戰區的兵力分成了兩大兵團，孫連仲將軍曾經在台兒庄立下戰功，現在他率領第三兵團負責大別山的防禦，來自廣西的李品仙將軍則率領第四兵團在長江北岸抵抗日軍的攻勢。日軍第二軍是他們的主要對手。
圍繞武漢的攻與防，日軍動用陸海空軍35萬，中國方面更是投入百萬大軍。雙方兵力之多、戰線之長、時間之久、規模之大，為抗戰以來任何戰役所未曾有過的。
7月25日凌晨，岡村寧次的部隊在海、空軍的掩護下，對九江開始了總攻。第二兵團司令張發奎將軍是北伐時代的名將，統帥過著名的「鐵軍」。他在九江一帶部署了數十萬軍隊，但在日軍飛機的威脅下，大軍只能靠九江到馬回嶺的小路補給糧食和彈藥，結果士兵挨餓，而傷員也難以運下。而日本海、陸、空軍的聯合火力也使守軍的人數優勢無從發揮。九江的抵抗只堅持了兩天，26日晚，就不得不放棄了。長江對岸的小池口要塞也失守了。武漢攻防戰到了最激烈的時候。
佔領九江以後，江南日軍兵分兩路，主力沿長江南岸西進，迂迴武漢之南；一部沿南潯鐵路向德安、南昌方向進攻，準備切斷浙贛鐵路，進犯湖南，實行戰略大包圍。
在長江北岸，岡村寧次的第六師團沿著潛山、太湖、宿松間的狹長地帶從東向西猛攻，8月3日攻克了黃梅。白崇禧上將見日軍孤軍深入，決定圍攻在黃梅集結的第六師團，取得另一次台兒庄大捷。他的部隊成功地截斷了第六師團的陸上補給線。圍攻黃梅的李品仙兵團一度包圍日軍第十一旅團，第十一旅團糧彈斷絕，幾遭滅頂，令第六師團相當緊張。可惜的是，本來的長江天塹，現在卻因為日軍海軍的絕對優勢，變成了沿岸日軍後勤運輸的坦途，第六師團改由小池口獲得補給。圍攻不下以後，日軍反擊，進攻廣濟，30公里的路程，日軍整整苦戰了8日，攻取廣濟後已成強弩之末，休整7天，又補充新兵3200人後，才繼續向田家鎮進攻。
田家鎮在廣濟縣內，在九江上游60公里處。這裡江面狹窄，丘陵湖泊密布。它的對岸有半壁山、富池口要塞相呼應，共同拱衛著長江航路。在馬當、湖口、九江相繼失守以後，江防是否穩固就取決于田家鎮要塞。這裡就是武漢的大門。過了這裡，江面開闊，就無險可守了。第五、九兩個戰區也通過這裡相銜接。陳誠計畫要在這裡固守兩個月，白崇禧也親自來視察。
8月6日，蔣介石要求要塞的官兵準備與要塞共存亡。駐守這裡的是第二軍，原來的要塞部隊也歸第二軍軍長李延年統一指揮。他們用水泥建造了幾百個堅固的據點，從四望山的高地到田家鎮的山地設置了幾道鐵絲網，每個區域都配置了20多門野炮和山炮。田家鎮成了名副其實的長江中最堅固、也是最大的江防要塞。日本海軍對要塞發起了猛攻，中國守軍第五十七師、第九師在李延年的指揮下殊死抗戰，給予了日軍沉重打擊。可是這個要塞設計時的一個錯誤，斷送了抵抗的成果。因為設計時只考慮了面向長江一面的作戰需要，而在側背後的防禦上，幾乎沒有任何堅固的防禦設計。當日軍從廣濟迂迴攻擊田家鎮時，整個要塞的弱點暴露出來。
9月28日，日軍攻入要塞核心，雙方炮火的猛烈，是抗戰開始以來少見的。這一天，日軍出動了78架飛機進行轟炸，側翼陸軍和海軍軍艦的數百門大炮將炮彈傾倒在這塊狹小的陣地上，中方防禦工事完全被摧毀。激烈的戰鬥中，中國軍隊用迫擊炮擊落了一架低空飛行的日軍飛機，成為戰爭奇聞。施中誠師的官兵死守陣地，團長龍子育在陣地上戰死。9月29日，戰鬥沉寂下來。
彈盡糧絕的守軍遵命撤離。要塞被日軍攻陷，武漢雖然門戶已開，但日軍第六師團也筋疲力盡，需要停下來補充休整了。
負責從北路進攻武漢的日本第二軍，在日軍攻打漢口的戰略規劃中，原先只是助攻的角色。
8月22日，當南路日軍已經打得昏天黑地之時，北路日軍才開始沿大別山向西進攻。因為沿途地形險阻，並不適合大兵團的運動與作戰，所以給孫連仲兵團配備的防守力量也是最薄弱的。當一路順利的日軍到達富金山的時候，第七十一軍官兵已經在險要的陣地上守候著他們。軍長宋希濂經歷過兩次淞滬之戰，他指揮的第三十六師的陳瑞河部，在十天十夜的富金山血戰之中，幾乎打光了所有的彈藥，造成進攻的日軍第十三師團死傷慘重。此後日軍的第十師團也加入戰鬥。日軍死傷累累，全軍需要大量補充兵員，才能繼續作戰。富金山陣地之戰，第七十一軍官兵戰死2618名，受傷12401名。這一戰也給孫連仲調度兵馬迎戰，爭取到準備的時間。日軍在攻佔富金山陣地之後，同樣分兵兩路，北路進攻固始、潢川、羅山；南路進攻商城與沙窩。傷亡極重的宋希濂部隊本應該撤下休整，但因為前線兵力吃緊，不得已繼續協助孫連仲的第二集團軍防衛沙窩與小界嶺，日軍自己統計死傷4500人，而第七十一軍只剩下了4個團。在北路，張自忠的第五十九軍血戰潢川，日軍往城中施放了毒氣瓦斯，全城毒氣瀰漫。師長劉振山兩次中毒，仍然不退，第五十九軍將士的頑強戰鬥令日軍受到重創。
武漢會戰期間，日本軍隊在富池口、西孤嶺、富金山等多處戰場施放毒氣。當時中國根本沒有任何對付化學戰的防護裝備。面對毒氣攻擊，唯一的辦法就是以毛巾泡水，掩住口鼻，這種做法當然不能抵擋日軍的化學武器的攻擊，因此，每當日軍以毒氣攻擊中國軍隊的時候，戰場狀況是極其悲慘的，常常整個陣地就成為了屍骨堆積場。後果最嚴重的是8月22日，日軍在瑞昌東北朱庄施放毒氣，中國軍隊第三集團軍孫桐萱部兩個營的士兵死難，只有3人倖免。
9月末，突破田家鎮要塞以後，沿江日軍進入湖北境內，武漢已經遙遙在望了。在江西南潯線的戰場上，中國軍隊巧用廬山等險要地勢進行戰鬥，讓日軍陷於不安和惶恐之中。在這條戰線上，岡村寧次遭遇了會戰中最大的失敗。
沿南潯路進攻德安的是日軍一〇六師團，從7月末就出師不利。它面對的是薛岳統帥的第二兵團。從星子到德安，激戰不斷，使日軍的進展慢得像蝸牛一般。岡村寧次決定再調日軍一〇一師團在星子登陸，企圖側擊中國軍隊陣地，中國軍隊利用廬山的險峻地形固守，日軍用盡一切手段，包括施放毒氣、飛機轟炸與炮艦的火力支援，但在星子、東孤嶺和西孤嶺、隘口遭遇抵抗，日軍第一〇一聯隊長飯在攻佔東