淞沪会战，徐州会战后，日军相继攻占了上海、南京。但两场大型战役后，中国军民的抵抗意志不但没有崩溃，反而变得空前高涨。日军逼迫国民政府投降的想法落空。同时蒋介石将两地物资转移到了西南地区，做好了持久抗战的准备。

而日军大本营发起徐州会战的目的，也是为了从平汉铁路直接南下攻占武汉，同时武汉作为当时的政治、军事、经济中心，攻下武汉能有效的打击中国军队的军事实力。让国民政府变成偏安一隅的政府。之后再扶持一个傀儡政权，达到分化中国，结束战争的目的。于是在徐州会战结束后，日军大本营立刻开始转入进攻武汉的作战计划。

蒋介石为了减缓日军的攻势，在徐州会战失利后，蒋介石做了一个“伤敌八百。自损一千”的决定。命令驻守黄河的新编第八师师长蒋在珍掘开黄河大堤，虽然蒋在珍心里清楚这是个遗臭万年的事情，但是军令难违，而且开封即将失守，时间就要来不及了。

最终，位于花园口的黄河大堤被掘开，黄河水一路冲毁沿途数十个村庄，洪水泄入高邮湖，流入河南、江苏、安徽等三个省。44个城市陷入汪洋。由于事先并没有做人员的疏散撤离，导致下游百姓在毫无准备的情况下遭此灾难。仅豫东及安徽北部遇难人数就达到了89万之多，受灾人口达1200万，更为严重的后果是导致了4年后的河南大饥荒。

但日军也因为洪水受到了不小的影响。地面装甲部队成为了一堆废铁。洪水将日军围困在高地上，补给只能依赖空投，不少人还染上了疾病。大量来不及撤走的汽车、火炮、坦克等重装备都被浸泡在了水中，损失惨重。当时的日军大约有4个师受到花园口决堤的冲击，淹死上万人。

在花园口决堤后，日军大本营原定以淮河水运为后勤补给线，而日军主力则由北方进攻汉口的作战方案正式宣告破产。与此同时，原本岌岌可危的郑州防线也得到缓解。

之后，日军被迫退守到徐州后，南下到蚌埠，过淮河，再到合肥与日军其他部队会合，从长江北岸进攻武汉。抗战期间22场会战中最大的武汉会战爆发了。

武汉会战被称为“东方的马德里保卫战”，它是抗战期间规模最大、持续时间最长、投入兵力最多的会战。中国投入14个集团军，100余万人，日军投入近40万人。

6月初，日军波田支队(相当于旅)由芜湖溯江西进，向安庆进攻。12日，安庆失守，波田支队继续沿江西进。至7月初，日军在江北占领太湖、望江以东，在江南占领江西湖口以东的长江沿岸地区。4日，日军华中派遣军调整战斗序列，由其司令官畑俊六指挥第2、第11集团军，负责对武汉的作战。以第11集团军沿长江两岸主攻武汉；第2集团军沿大别山北麓助攻武汉。

中国方面，国民政府军事委员会为增强指挥机构与作战能力，于1938年6月中旬新编第9战区。同时决定以第5、第9两个战区所属部队保卫武汉。参加武汉保卫战的部队以及空军、海军，总计14个集团军、50个军，作战飞机约200架，舰艇30余艘，总兵力近110万人。各兵团部队自6月开始分别利用鄱阳湖、大别山脉等天然屏障，组织防御，保卫武汉。

第九战区司令长官陈诚指挥27个军负责长江南岸的作战，第一兵团薛岳所部防守南浔线，并沿鄱阳湖配置兵力，以南昌为基地，以外线之势击破西进日军，防止日军进攻南昌及迂回长沙。

第二兵团张发奎所部确保九江至瑞昌线正面，并沿江构成阵地带，防止日军由瑞昌西进，直趋岳阳、蒲圻、咸宁；汤恩伯军团控制于各重要据点之间，以便随时策应一线作战。

第五战区司令长官李宗仁（7月中旬～9月中旬由白崇禧代理）指挥23个军负责江北作战，命第四兵团李品仙所部为右翼兵团，利用长江北岸大别山南麓丘陵湖沼的有利地形遏敌取捷径攻略武汉。

以第二十一集团军廖磊所部为中央兵团，布置于太湖、潜山西北山地，相继南下侧击西进之敌；以第三兵团孙连仲所部为左翼兵团，控制于大别山北麓与淮河之间，利用地障，重在阻敌迂回武汉之北；命第二十四集团军韩德勤所部担任敌后游击；以第二十九集团军王缵绪所部为第二线兵团，策应一线作战。

另以第一战区在平汉铁路（今北京一汉口）的郑州至信阳段以西地区，防备华北日军南下；第三战区在安徽芜湖、安庆间的长江南岸和江西南昌以东地区，防备日军经浙赣铁路（杭州一株洲）向粤汉铁路（广州一武昌）迂回。这种战略部署，体现了以外线进攻为主，阵地防御和游击为辅的战略防御格局。

1938年6月23日，日本军舰溯长江而上，开始向安徽、江西江界的马垱要塞(今彭泽县马当镇)进攻，并使用毒气，从正面强攻数次，均被中国要塞炮兵击退。

在富池口（今阳新富池镇）要塞，中国军队同日军血战近10天，多次击退日军进攻，最后，无耻的日军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，使日军每个连平均减员到40人，营长一级的军官也多有伤亡。

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，中国空军鏖战长空，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。

由于中国军民的顽强抵抗，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。而国军从持久抗战的战略角度出发，决定从武汉地区撤退，未与日军进行决战，从而保存了有生力量。

武汉会战是抗战史上时间最长给日军打击最大的战役,当时的武汉抗战士气高涨,真正的"地不分南北人不分老幼,皆守土抗战"。

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，投入的总兵力当在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，不但没有歼灭中国军队的主力部队，更没有使中国军队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。

据日军发表的统计资料，第11军伤亡21886人，第2军伤亡9600人，连同海军及陆海航空兵的伤亡人数，总计约3.55万人。国民政府军事委员会军令部根据各部队战斗详报统计的日军伤亡人数为25.6万人。

武汉会战以后，本来就感兵力不足的日军，随着战线的延长，兵力越发感到不足，无力再组织像淞沪、徐州和武汉会战这样大规模的、以攻城略地为目标的战略进攻，而被迫转为战略防守。这就使中国的抗战由战略防御阶段发展为战略相持阶段。

日本侵略军则陷入了它自身所最不愿意进行的持久战的泥淖之中，无法自拔，从而导致日本侵华政策的转变：由军事打击为主、政治诱降为辅，改为以政治诱降为主、军事打击为辅；由以主要兵力进行正面战场的作战，改为转移兵力进行敌后战场的“治安”作战。