1944年5月，日军第11集团军司令官横山勇指挥8个师、1个飞行团和海军一部，共20余万人，以攻占湘桂铁路(衡阳-来宾)为目标，向长沙、衡阳地区进攻。
中国第九战区司令长官薛岳指挥4个集团军(共15个军)另2个军共约40万人，在空军(飞机181架)、友邻战区支援下，以一部依托湖北通城东南山区、湖南新墙河南岸、沅江和益阳地区的既设阵地，节节抗击，消耗、迟滞日军;主力分别控制于浏阳、长沙、衡阳及宁乡等要地，相机歼敌。27日，日军以5个师由湖南华容、岳阳、湖北崇阳沿湘江两岸和湘赣边山区分三路发起攻击，以3个师集结于湖北监利、蒲圻待机。另以1个团又5个营进至江陵以南松滋河沿岸进行牵制，以掩护军右翼。防守新墙河的第20军予日军中路第68、第116师以持续抗击后，转至湖南平江以东山区待机。防守崇阳东南山区的第72军、挺进纵队对日军左路第3、第13师逐次阻击，迟滞其行动。防守益阳的第73军抗击日军右路第40师。
6月1日，日军中、左路强渡汨罗江，突破河防阵地后，分路向捞刀河、浏阳河进攻。守军第37军采取边抵抗边后撤的战法，撤至浏阳附近山区待机。至14日，日军相继攻占沅江、益阳、浏阳。16日，日军第34、第58师、第68师一部攻击长沙城区。第4军坚守至18日下午，伤亡殆尽，长沙失陷。
第九战区为阻敌深入，保卫衡阳，从20日起向日军发起反击，至27日，将日军左、右路分别阻滞于醴陵、湘乡;对日军中路在渌口、衡山间虽给以打击，但未能阻止其南进。28日，日军第68、第116师攻击衡阳。守军第10军(4个师)依托工事以正面和侧面火力掩护，连续实施反冲击，战至7月2日，予敌以重创，迫其停止攻击。11日，日军第68、第116师得到增补后,以15个步兵营、12个炮兵营第二次攻击衡阳。守军以固守阵地与机动防御相结合，加强阵地间的互相支援，实施短促近战和反冲击，战至20日，迫敌再次停止攻击。其间，被阻滞于湘东山区的日军第3师先后在醴陵、茶陵、安仁遭重创。后在第27、第34师和第13师一部支援下，战至月底，始突破围阻。
8月4日，日军第11集团军集中4个师第三次攻击衡阳。守军抗击至8日，伤亡惨重，且孤军无援，被迫放下武器，衡阳陷落。日军打通大陆交通线
1944年8月，日军侵占湖南衡阳后，为准备进占广西桂林、柳州，以第11集团军6个师又1个旅，于29日由衡阳沿铁路向湘桂边界推进;以第23集团军2个师又1个独立混成旅，于9月6日由广东清远等地沿西江向广西梧州进攻，另1个独立混成旅由广东遂溪向广西容县进攻。
8月10日，第6方面军司令官冈村宁次奉命指挥第11、第23集团军、第2飞行团(飞机约150架)和第2遣华舰队一部，共约16万人，在南方军一部配合下，以打通桂越(南)公路为目标，向桂林、柳州进攻。中国第四战区司令长官张发奎指挥9个军、2个桂绥纵队、空军一部(飞机217架)，共约20万人，在黔桂湘边区总司令部的3个军支援下，以分区防御抗击日军。
8月14日，日军第11集团军攻占全州，随后调整部署，准备攻击桂林。22日，日军第23集团军陷梧州，至10月11日相继攻占平南、丹竹和桂平、蒙圩。第四战区鉴于全州地区日军尚无行动，遂调整部署，将所部编组为桂林、荔浦、西江3个方面军，南宁、靖西2个指挥所，以大部兵力固守桂林，集中一部兵力先击破西江方面之敌。21日，第64军配属桂绥第1纵队向进占桂平、蒙圩之日军独立混成第23旅实施反击;另以第135师等部向平南、丹竹攻击，策应反击。战至28日,日军第23集团军主力逼近武宣,中国军队遂停止反击退守武宣。与此同时，日军第11集团军突破桂林、荔浦方面军的防御阵地，主力于11月4日进抵桂林城郊;一部向柳州进攻。7日第四战区将3个方面军编组为左、中、右兵团，集中兵力保卫桂、柳。9日，日军第40、第58、第37师和第34师一部，向桂林城发起总攻。同日，日军第23集团军第104师、第11集团军第3、第13师突破中央兵团的防御阵地，攻向柳州。11日，防守桂林城区的第31军大部牺牲，小部突出重围,桂林陷落;坚守柳州城区的第26军伤亡过半，奉命撤离，柳州失守。
随后，日军第3、第13师沿黔桂铁路(都匀-柳州)向西北进攻;第23集团军沿柳邕公路(柳州-南宁)向西南进攻，24日占南宁。28日，日军南方军第21师一部从越南突入中国，向广西绥渌(今属扶绥)进攻。沿黔桂铁路进攻的日军至12月2日攻至贵州独山，遭黔桂湘边区总司令部部队的反击，撤回广西河池。10日，日军第21师与第22师各一部在绥渌会合。至此，大陆交通线全部打通。
豫湘桂战役持续近8个月，国民党军损失兵力五六十万人，丢弃了河南、湖南、广西、广东、福建、贵州等省的大部或一部，使20余万平方公里的国土沦丧敌手，6000余万同胞处于日军铁蹄蹂躏之下。在这次大溃败中，中国人民生命财产所受的损失是无法统计的。日军所到之处残暴地烧杀抢掠，仅萍乡一地，被杀害者1.9万余人，被虏者2万余人，妇女被侮辱者6000余人，房屋被毁700余间，农具被毁值4700余万元，米谷被劫5万余担，棉花被劫9500余担。战争中几十万难民颠沛流离，每天数百人死于疾病冻饿。
豫湘桂战役的大溃退是抗战以来国民党正面战场的第二次大溃退，是国民党政府长期执行避战、观战政策，因而使部队大部丧失抵抗信心和战斗力的结果。国民党军事上的溃败，正是其政治上腐败的表现。
