阳城遭到中国军队的顽强抵抗，衡阳守军为第十军方先觉部，以死守城区为目标部署了军队。6月28日，日军发动第一次大攻势，由第六十八师、第一一六师等部实施，但进攻失败。第六十八师师长佐间、师参谋长等被中国军队的炮火击伤，日军有重大伤亡。30日，日军在第一一六师师长岩永汪指挥下再次发动攻势，但又告失败。7月11日，日军第十一军在得到强大炮火和飞机的支援后重新攻击衡阳，但只占领了一部分地区。在此期间，国民政府军事委员会调动的各路援军受阻于衡阳外围地区，始终未能与衡阳城内的守军会合，致使衡阳守军一直孤军奋战，弹药等主要依靠空中补给，先后投送40万吨。但第十军作战时间已长达1个多月，官兵无休无眠，伤亡十分惨重。军部直属队伤亡三分之二，预备第十师伤亡90％，第三师伤亡70％，第一九〇师仅剩下400多人，中下级军官伤亡太多，以致每一次战斗均要连升几个营长、连长。

    7月30日，日军调集了多达5个师的兵力，以确保攻下衡阳这一弹丸之地。当时日本在太平洋上节节败退，日本的统治者想以攻下衡阳来装饰脸面，鼓舞士气。日军第十一军司令官于8月2日以后到衡阳亲自指挥。恶战至8月7日，在部队失去战斗能力后，日军第十军军长方先觉与各师师长在防空洞中商量了投降的条件，方先觉签字盖章后，于晚间同日军第一一六师团的前线指挥所取得联系，日方同意了方先觉的条件，第二天，当方先觉率10多名高级军官会见日军师长时，日方却只允许第十军无条件投降。8月8日，持续47天的衡阳保卫战以守军的无条件投降而告终。

    在数量与火力居于绝对优势的日军重重包围下，第十军将士孤军在衡阳血战了47天，这是日军在打通大陆交通线作战中所遭受的最大挫折。处于攻击状态的日军伤亡很大。据日方统计，日军在攻击衡阳战斗中伤亡19380人，其中，中高级军官有390多人战死，520多人负伤。

    占领衡阳后，日军即沿湘桂铁路侵入广西。日军在广西境内作战顺利，至10月30日，攻入广西北部的日军已进抵桂林火车站附近。桂林城已处于日军围困之中。

    桂林当时为广西省会，湘桂铁路、公路由此通往柳州，为广西省东北的交通枢纽。抗战以后，桂林就已成为收容饱受战火痛苦人们的避难所。自日军发动“一号作战”以后，湘桂各地城池连连失陷，大批逃难的人涌向桂林，桂林城居民由10万人左右猛增到50万～60万人。在这个因战争而人口迅速膨胀的城市里，工厂、商店、银行、学校、报社、难民云集。但当战火逼近广西时，疏散桂林的人口已刻不容缓。9月10日，城内的疏散工作开始强制进行，至14日，所有省府机关均已疏散完毕。原本繁华的都市转眼间便成了荒凉的空城。

    10月28日，日军同时从北、东、南三面向桂林外围攻击。

    11月8日夜，日军攻占了城郊的大部分要地，渡过桂江，进入桂林中心市区。城中的守军陷于混乱，多数战死，部分官兵被俘，一部分守军于9日突围。突围中，第一三一师师长阚维雍自杀，第一七〇师副师长受伤被俘，城防司令部参谋长陈继桓阵亡。至11日，日军完全控制了桂林。

    战争引发了第二次的大迁徙。自日军8月份攻陷衡阳，9月中旬打入广西境内以来，湘桂铁路沿线城池连连告失，使柳州成了临时避难所。

    大量难民和南迁的机关、学校及企事业单位纷纷涌入柳州，使市内人口暴增。当日军发动桂柳作战时，人们又纷纷外逃。柳州火车站上整天人山人海，行李堆积如山，《大公报》报道：“日来列车秩序极乱，马桶浴盆与乘客争登，小鸡小鸭与物资抢位。”与桂林失守同一天，第四战区司令部所在地柳州陷入日军之手。

    日军