10月7日，日军第6方面军拟定进行湘桂会战的作战计划。其中心内容是：以第11军（横山勇）6个师团沿湘桂路进攻桂林，以第23军2个师团、1个混成旅团沿西江西进，以1个混成旅团由雷州北进，进攻柳州、南宁。在日军第11军进攻洪桥时，日军第23军已由广东沿西江两岸向梧州方向进攻。第23军司令官为田中久一，参加进攻的部队为第22、第104师团和独立混成第22、第23旅团。9月9日开始分路西进，沿途击退中国各地方部队及第135、第155师，于13日占新兴，16日占肇庆，22日占梧州、容县，28日占平南及丹竹机场，10月12日攻占桂平及蒙墟。

    第四战区司令长官张发奎认为日军第23军对柳州侧后造成严重威胁，而现有兵力又不足以桂林及柳州同时进行主力决战，于是决心先对占领桂平、蒙墟的日军实施反击，命西江方面军总司令邓尤光指挥第64军（配属广西绥署第1纵队）、第46军（欠2个师，配属第188师）第135师及绥署第2纵队等，于10月21日对日军第23军发动进攻，战斗9天，毫无进展，被迫撤退。日军乘势追击，于10月3日占贵县，4日占武宣，前进至柳州以南约70公里的良江、来宾一带。

    当日军逐渐迫近柳州、桂阳时，第四战区为保卫桂柳，于10月9日对准备参加作战的部队重新编组。其指挥系统为：司令长官张发奎下辖桂林方面军（夏威，第46、第31、第93、第79军，共9个师及特种兵）、西江方面军（邓龙光，第35集团军、第16集团军一部，共4个师、2个纵队）及直辖第62、第64军，共4个师及炮兵。总计24个师，约15万人。

    日军第11军接受了进攻衡阳开始时兵力不足而受阻的教训，决定以3个师团又1个联队、4个炮兵联队又4个炮兵大队和1个战车联队进攻桂林；以2个师团进至桂林东南大圩、干乐地区，以阻止守军增援，并随时准备加入攻城战斗；另以1个师团负责后方警备。当11月初开始前进时，沿途仅遇到轻微的抵抗，判断守军兵力薄弱，横山勇遂改变原来经中国派遣军和第6方面军原制的计划，令第3、第13师团转攻柳州，仅以第58、第40、第37师团进攻桂林。11月4日，日军对桂林发起总攻。防守桂林的指挥官是第16集团军副总司令韦云淞，直接守城的部队是第31军第131师、第46军第170师及第98师残部合编成的1个团。经5天战斗，桂林外围磨盘山、茅单岭、七星岩、笔架山等据点，守军牺牲殆尽，全部失守。

    9日拂晓，日军开始攻城。在兵力、火力均占优势的日军猛烈进攻下，守军拼死抵抗，但城外各部队始终未对攻城日军作有力的牵制、反击。血战至10日，守军所剩无几，仅第31军军长贺维珍率一小部突出包围。防守司令部参谋长陈济桓、第31军参谋长吕旃蒙、第170师副师长胡厚基等，均力战而死。第131师师长阚维雍在掩护防守司令部及第31军司令部突围后，壮烈自杀。桂林为日军占领。同日，柳州也为日军攻占。日军第3、第13师团攻占柳州后，向西追击，15日占宜山，17日占忻城，21日占金城江。21日，横山勇电令，命第13师团追击至独山，命第3师团追击至都匀，将该地交通设施及军用物资全部彻底毁坏后，返回广西。日军在击退第97军的阻击后，于28日攻占南丹，12月2日袭占独山，3日攻占荔波，于4日开始南撤。

    日军第23军第22师团及独立混成第23旅团于11月24日未经战斗即占领南宁，在越南西贡的日本南方军司令官寺内寿一令第38军第21师团派1个加强联队，进军广西，与其第22师团会合。第21师团第83联队（配属1个步兵大队及炮兵、工兵部队）于12月10日与由南宁南下的日军第22师团在扶