6月中旬，H本海軍艦艇開始用火力清除江面的魚雷，逐步向馬當要塞靠近。此時正逢當地一期抗日軍政大學班結業，24日，舉行結業典禮。受訓人員很複雜，除了防守湖口、馬當要塞的十六軍的副職軍官和排長外，還有馬當、彭澤兩地的鄉、保長。由於漢奸告密，日軍趁守軍各部隊主官（凡上尉以上主官都有請帖）參加典禮會餐之機，發起猛烈攻擊，於26日攻佔馬當。
自中日開戰以來，蔣介石就下令加固沿江各要塞防禦工事，馬當要塞工程更是歷時經年，國民政府投入了大量的人力物力。這個本來能鉗制和延緩日軍進攻的重要據點，竟然被敵人輕易地佔據了，訊息傳來，蔣介石心中不由燃起熊熊怒火。指揮失誤的十六軍軍長李韞珩被撤職查辦，救援不力的一六七師師長薛蔚英被槍決。
最高統帥的怒火併不能阻止驕奢部屬繼續潰敗，正如他的嘉獎也不能讓彈盡糧絕的勇士繼續堅守陣地一樣。突破馬當要塞的日軍勢如破竹，一週時間裡連陷彭澤縣城、湖口要塞，與湖口脣齒相依的軍事重鎮九江頓時失去了屏障。讓蔣介石略感欣慰的是，中國空軍在此期間以漢口和南昌為基地，連日出動攻擊安慶至湖口間敵艦艇，予敵以重創。
持久抗戰的要訣在於因地因時制宜，靈活打擊敵人，不計較一城一池的得失。馬當要塞在短期失守，蔣介石的確很是失望，但他並沒有對勢必更加激烈的戰役喪失信心。針對一些消極言論，蔣介石在指揮武漢會戰期間還時常對外發表講話，宣告中國政府保衛武漢及堅持長期抗戰的決心，以正國際視聽。7月18日，蔣介石接見了英國《每日先驅報》駐華記者史諾，他說：“武漢必能堅守，而日軍後方，因中國遊擊部隊日趨活躍之故，則將變為前線。”對於尚未發生的事我們只能預測，而難以左右，在做最好的期望的時候必須做好最壞的打算，蔣介石當然明白這個道理。回答外國記者提問的時候，他知道在什麼地方該退卻，他也知道怎樣才能安然退卻，“縱令武漢將來有不能守之一時，殊亦無損於抗戰之毫末；中國之目的固在長期作戰以消耗敵人力量，而獲得最後勝利，相信保衛武漢之戰，必使敵人遭受重大損失也。”
日軍的攻勢在繼續，5天后，波田支隊在姑塘強行登陸，26日，攻陷九江。同日，長江對岸的江防要地黃梅小池口也告不守。至此，日軍已基本上突破了中隊的主陣地。
中隊在要塞九江一帶集中有數十萬軍隊卻敗不旋踵，一是由於當局固守九江的決心下得過於倉促，以致後勤準備不周，糧食補給困難；二是敗於軍紀不良，守軍派系混雜，官兵素質極差。第二兵團司令張發奎自稱“職由陽新徒步經瑞昌至九江時，滿月荒涼，殆絕人跡，民眾既失同情之心，軍隊自無敵愾之氣。”
2．實現了持久消耗的戰略意圖
真正的大戰在8月展開。蔣介石調集了幾乎所有可以動用的部隊，日軍也調集了10個師團，後來又多次補充。中日雙方在以武漢為中心的數千裡範圍內，展開了一場空前規模的大戰。
在小池口登陸的日軍與太湖西進宿松之敵匯合，進犯黃梅。8月3日，武漢上空爆發空戰，敵機被擊落11架，中方亦損失了7架。次日，黃梅淪陷，日軍攻向廣濟。江南的日軍在奪取九江後繼續西進，企圖切斷粵漢線，迂迴到武漢之南，從正面進攻武漢。蔣介石一面下令守軍依託河道、山脈力行抵抗，一面組織武漢的機關、人員、工廠撤退。
鄂東地勢南屏長江，北連大別山，無數河道由北向南匯入長江，其間遍地都是稻田，地形起伏縱橫，形成天然的障礙防線，易守難攻，中隊終於在這一塊地方穩住陣腳。廖磊的第二十一集團軍以大別山為根據地，頻頻向皖西和鄂東猛烈出擊，截斷敵軍交通線，威脅敵人後方，逼使日軍屢進屢退，一籌莫展。在江北，敵我雙方成膠著狀態。中隊的猛烈反擊使日軍被迫收縮戰線，並一度收復太湖、潛山、宿松，直逼黃梅。中隊防禦黃梅、廣濟地區的戰役，是保衛武漢的第一次決戰，對武漢的安全有重大的影響。戰役持續了一個月，蔣介石調集了川、魯、桂三省約6個軍的兵力，但因處處防禦，指揮不統一，難以相互支援，最後被敵人各個擊破，結果在9月上旬導致全線失守。
江南的日軍，進展也不順利。九江及鄱陽湖西、南地區，為九戰區屯兵之主陣地。8月5日，第九戰區在蔣介石“在德安、瑞昌一帶與敵決戰”的指令下，擬定會戰計劃，決定重點佈防沿江及南潯路，尤須固守田家鎮要塞，以主力控制德安、瑞昌以西及南昌地區，以保衛武漢。8月20日，日軍第一○一師團從湖口橫渡鄱陽湖，攻佔了星子城，然後繼續南下，企圖配合一○六師團攻佔瑞安，爾後奪取南昌。對於江南的戰事，蔣介石是有信心的，因為在戰前就判斷日軍主攻方向是南路，所以在江南新成立的九戰區部署了重兵。
8月21日，蔣介石對倫敦《每日捷報》駐華訪問員任金生髮表談話，說：“揚子江陣線之一，不久即將展開劇戰；此戰將為大決戰，吾人深信必能獲得較四月間臺兒莊一役更大之勝利。日軍自欺欺人，妄以為攻下漢口，戰爭即可結束；須知即使漢口失陷，必不較去歲南京之失陷更可挫破中國之抗戰，何況吾人深信漢口必不致失陷也。日軍之困難，與日俱增，吾人將使其一敗塗地。”他特別強調了遊擊部隊的作用：“戰事愈展開，流動之遊擊部隊將愈佔重要之地位。在未來保衛武漢之大決戰中，游擊隊將必有巨大之貢獻。”蔣介石所講的決戰之處當是指贛北了。
薛嶽沒有讓蔣介石失望，第一兵團在廬山附近的金官橋、東西牯嶺、隘口街進行了卓有成效的持久防禦戰，硬是把南路大部分日軍拖在德安附近。9月間，在南潯線雙方都有顧忌，初期很謹慎，戰況沉寂。蔣介石下令把他的嫡系俞濟時第七十四軍調回長沙休整，兵團司令薛嶽鑑於贛北各軍作戰時間更長傷亡更大，堅決拒絕把這支生力軍調走。後來，蔣介石又調六十四軍赴粵作戰，薛嶽再次強留下該軍一個師。薛嶽直言犯上，留下這兩支部隊，是有成效的，在9月中旬的瑞武路作戰和緊接著的萬家嶺大捷中，該部發揮了重大的作用。
險要的地勢是至關重要的，幾個月來中國守軍在鄂東、贛北的作戰充分說明了這一點。日軍為排除其在水澤山區作戰面臨的戰術上的困難，打破膠著狀態，以迅速佔領武漢，華中派遣軍改變了原來的作戰計劃，8月中旬，另出奇兵兩路，由大別山的北麓平原西進：一路由合肥向河南的固始、湟川、羅山攻擊，直趨信陽，企圖切斷平漢線，迂迴武漢之北，進而從北面進攻武漢；另一路則由合肥攻擊六安、霍山，然後直搗商城，再轉南威脅麻城，與黃梅及江南之敵相呼應，對武漢構成大包圍的態勢。
在武漢會戰正酣之時，日本大本營又下達了201號命令：“大本營企圖與進攻漢口互為先後，取華南敵後；重要根據地，並切斷其主要對外聯絡補給路線；佔據廣州附近要地。”不難看出，日軍在武漢會戰的戰略意圖是，透過大包圍大迂迴戰略的實施，先從戰略上截斷武漢守軍的退路和外援，徹底動搖武漢守軍的意志，以最終形成對中國抗日主力部隊的合圍，達到與中國“速戰速決”的戰略目的和中國投降的政治目的。為此，日軍調集了其陸軍總兵力34個師中的大部分，其中以第二集團軍和第十一集團軍的共9個師的兵力為主，約25萬人，以及海軍及3個艦隊，再加上空軍等，共有各型艦艇約120艘，各型飛機約300架。
日軍集中如此大規模的兵力圍攻武漢，蔣介石並沒有被嚇倒。武漢的轉移工作在緊張地進行，東部逃亡過來的難民繼續西行，尋找安身的地方。9月13日，蔣介石在漢口接見英國代表，英國代表向蔣探詢中國在原則上可否同意在漢口設安全區，並面陳日本所提之苛刻條款。蔣介石予以堅決地回答說：“凡有中隊駐守的地方就是安全區。”斷然拒絕日方無理要求，並強調指出：“中國抗戰是自衛，也為保衛國聯盟約，英國既同為會員國，應徹底與中國合作，驅逐此人類公敵；此種無理條款，英國根本不應轉遞。”
武漢外圍陣地一步一步緊縮，到10月初，各要塞基本上都被攻破，撤退只是遲早的事了。就在這個時候，薛嶽兵團在萬家嶺一一帶作戰，殲敵三千多人，為國慶獻了一份厚禮。但在日軍的反撲下，萬家嶺最後失陷。區域性的勝利並不能改變戰略上的被動和整體的劣勢。由於日軍在長江兩岸和大別山北麓已形成對武漢的三面包圍，同時在廣東方面，日軍二十一軍又在大亞灣登陸，10月21日，侵佔了廣州。中隊於10月25日撤出武漢，五戰區部隊向平漢路以西的隨縣、沙洋一帶轉移；九戰區部隊退守岳陽、通城和修水以南地區。日軍於10月25日至27日先後佔領漢口、武昌、漢陽。
武漢棄守前夕，蔣介石於24日偕宋美齡飛往湖南衡陽之北的南嶽，但因飛機迷失方向，又轉回漢口。25日晨8時許，換乘飛機，始到在南嶽。同日蔣電武漢撤退前破壞可資敵用之一切設施，這樣，武漢燃燒了兩天。
再次離開武漢的時候，蔣介石是很痛心的，是啊，動用了1。0多萬的兵力，武漢還是淪陷了！“保衛大武漢”的口號聲依然在耳邊同響，幾個月前怎麼都想不到會如此狼狽地離開的！蔣介石又想起就武漢的防守而召開的那次會議，當時有人認為武漢在政治上不如南京、軍事上還是不如徐州、經濟上不如上海、文化上不如北平，既然那四大重要城市都已經放棄，武漢也沒有什麼固守的必要。他清楚地記得自己是怒氣沖天地訓斥過那個人的。現在，武漢失陷了，不管是從澄清疑問還是鼓勵繼續抗戰著想，作為最高統帥都有必要給國人一個明確的交代。
10月31日，蔣介石發表《為退出武漢告全國國民書》，對於為什麼保衛武漢和從武漢撤退作了說明：“保衛武漢之軍事，其主要意義原在於阻滯敵軍西進，消耗敵軍實力，準備後方交通，運輸必要武器，遷移我東南與中部之工業，以進行西南之建設。蓋唯西北西南交通經濟建設之發展，始為長期抗戰與建國工作堅實之基礎，我唯西北西南交通路線開闢完竣，而後我抗戰實力及經濟建設所需之物質，始得充實而供給不虞其缺乏。今者我中部及東西之人力物力多已移植於西部諸省，西部之開發與交通建設，已達初步基礎。此後抗戰，乃可實施全面之戰爭，而不爭區區之點線。同時我武漢外圍五月之苦戰惡鬥，已予敵人莫大之打擊，而樹立我民族復興之自信心，與發揚我軍攻守戰鬥再接再厲之新精神。故我守衛武漢之任務已畢，目的已達。”對於戰局的階段轉換，蔣介石也作了積極的預測，他認為“吾同胞應知此次兵力之轉移，不僅為我國積極進取，轉守為攻之轉機，且為徹底抗戰，轉敗為勝之樞紐。”
為了表明中國的不妥協態度，爭取國際的援助，蔣介石電令駐美大使胡適將此文有關持久戰部分譯成英文交羅斯福看。不久，日本又發表關於建立東亞新秩序的宣告。美國終於12月15日正式批准“桐油借款”兩千萬美元給國民政府。
武漢會戰的戰線之長，時間之久，兵員之多，規模之大，犧牲之重，是抗日戰爭中其他任何戰役所不能比擬的。在會戰過程中，中隊動員120多個師，約100萬人，傷亡、散失約60萬人。日軍傷亡、失散、被俘人數20萬人，染病15萬人。以上數字，各家所說不盡相同，但有一點是無可懷疑的，即是抗戰以來，日軍遭受損失、付出代價最大的一役。
日軍戰略進攻之勢從此衰落，深陷於對華戰爭的泥淖而不能自拔。日本帝國主義速戰速決的戰略至此完全破滅，妄圖不戰而屈人之兵的幻想再一次破滅。中國抗戰至此．第一期抗戰，即日本的戰略進攻與中國的戰略退卻，到此結束，轉入第二期抗戰，即戰略相持階段。