就在黄鸟的情报发回武汉后的半个月，武汉战斗打响了。
从6月到10月底，中国守军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（军官7），负伤866人（军官15人），合计1150人。”
在长江南岸，中国守军在江西马头镇要塞，与敌恶战8昼夜，予敌大量杀伤。
在富池口要塞，中国守军同日军血战近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多枝，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。
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。
就在国军与日军在武汉战场上陷入胶着状况时，一条坏消息飞到了武汉。
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，老头子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日国军弃守武汉。
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。
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。