10月9日，薛岳下令各师选派敢死队数百名合力攻击，当晚攻占万家岭、雷鸣鼓等地。此役，薛岳兵团毙敌3000人，伤敌更多，俘虏30多人，缴获轻重机枪50多挺、步枪1000多支，军马100余匹。时称万家岭大捷。

为改变战局，日军第11集团军将新补充的山炮团配同第106师，并令该师向德安西南推进；将野战重炮兵第13团配属第101师，令该师向德安东南推进；与第27师协同，会攻德安。中国守军进行了半个多月的阻击战，才最后放弃德安。10月27日，德安失陷。薛岳所部退至修水。11月1日，日军第101师攻占永修。至此，庐山、德安地区的战役告一段落。

（二）武汉以北地区大别山北麓的阻击战

7月14日，日本华中派遣军下令第2集团军向安徽合肥集结，准备向武汉进攻。7月中旬至8月下旬，日军第2集团军第10、第16、第13、第3师相继在合肥地区集结完毕，8月20日，日军第2集团军下达作战命令，决定分南北两路作战，北路第10师沿安徽六安至河南光州一线，向信阳推进，第3师力后援跟进；南路第13师沿安徽霍山至河南商城一线向武汉北面推进，第16师尾随第13师为预备队，并担负交通线的警备。

8月下旬，中国第5战区在大别山北麓加强防御部署，以第3兵团在六安、霍山以西至商城地区设防，准备迎击日军。其所部第51军部署于六安地区；第77军部署于霍山方面；第71军控制于商城东侧附近，准备对进攻之敌实施反突击。

8月27日，日军华中派遣军第2集团军发动进攻。28日，日军第10师击败中国第51军，占领六安，继续向河南固始推进。　29日，日军第13师突破中国第77军阵地，攻陷霍山，向河南省商城推进。9月2日，日军第13师攻占叶家集，当夜强渡史河，进攻富金山。中国第71军（军长宋希濂）在宫金山高地顽强阻击日军的进攻，不断反击敌人，予敌以沉重打击，歼敌1000余人，使日军每个连平均减员到40人。营长一级的军官伤亡也多。［日］防卫厅防卫研究所战史室：《中国事变陆战作战》（2），朝云新闻社，1983年版，第142页。＇

9月7日，日军第2集团军令正在向固始推进的第10师，派遣濑谷支队增援第13师作战。濑谷支队在向富金山前进途中，在方家集北侧受到中国军队阻击，无法前进。日军第2集团军又将第16师调到叶家集，支援第13师，并给第13师增配独立机枪队、独立轻装甲车队和炮兵部队等，加强该师攻击作战力量。9月11日，日军发动强大攻势，中国第71军被迫撤退，12日，富金山失守。9月16日，日军第16师攻占商城。9月17日，日军第2集团军命令第13、第16师突破大别山中国军队防御体系。9月20日，日军第13、第16师向沙窝、新店发动进攻。中国军队利用大别山的险峻地形，巧妙阻击日军。日军第13师、第16师在突破大别山作战中，激战1个多月，以战死约1000人，伤约3400人的代价，＇〔日〕防卫厅防卫研究所战史室：《中国事变陆军作战》（2），朝云新闻社，1983年版，第151页。＇　才突破大别山地区防线，于10月25日，占领麻城，然后沿宋埠、黄安（今红安）、河口镇向武汉推进。

向固始、潢川、罗山、信阳进攻的北路日军第10师，于9月4日渡过史河，6日进攻固始，中国守军第71军第181旅抵抗一天之后撤退，固始失陷。

9月12日，日军第10师逼近潢川，遭到中国第59军阻击。9月19日至20日，日军相继攻占潢川、光山、罗山等地，逼近信阳。这时，中国第5战区增加兵力，在信阳、大别山地区同日军第2集团军所属部队展开激烈的攻防战。

9月20日，日军第2集团军下令第10师进攻信阳，第3师在光山地区待机增援。9月28日，日军第10师改编为驮马部队从光山出发向信阳进攻。

中国第17军团所属刚到战场的第1军与第45军向罗山附近日军展开攻击，迫敌退守罗山城。日军冈田支队在罗山附近受到中国军队第17军团所部从两翼的围攻，日军第10师主力迂回到罗山南侧地区，向中国第17军团右翼发动攻击，中国第17军团两面受敌，被迫撤退。9月30日，日军第10师在罗山以西继续向信阳发动攻势，又受到中国军队阻击，激战两昼夜，才于10月2日夜突破中国军队阵地，在中国军队的持续阻击下，日军伤亡惨重，其中，步兵第39团由从庐山出发时的2800人，到9月末减少到不足800人。＇〔日〕防卫厅防卫研究所战吏室：《中国事变陆军作战》（2），朝云新闻社。1983年版，第147页。＇

在这种形势下，10月2日，日军第2集团军令第3师从光山出发，经罗山北侧向信阳东北推进，策应第10师进攻信阳，于10月9日到达信阳东北15公里处的大洋河镇，10月11日进至信阳北侧，切断了平汉铁路交通线。日军第10师冈田支队于10月11日到达信阳东面，第10师主力到达信阳南面，与第3师一起包围了信阳。10月12日，日军在优势炮兵火力和坦克掩护下攻占信阳。中国守军进行顽强抗击，歼灭日军2610人。10月16日，日军第10师从信阳南下，沿平汉线西侧向武汉推进，相继突破平靖关、武胜关。中国守军在桐柏山地区顽强抗击日军进攻。日军第3、第10师于10月26日占领桐柏山地区后，向孝感、应城推进，协同第11集团军进攻武汉。

10月25日，日军波田支队攻占阳新、大冶后占领葛店，准备进攻武昌。

日军第9师10月27日攻占贺胜桥，切断了粤汉线。日军第27师从箬溪出发，10月18日攻占辛潭铺后，配合第9师向粤汉线推进，27日占领桃林镇。武汉已被日军从东、南、北三面包围。

为保存军力以利长期抗战，国民政府军委会于10月24日下令放弃武汉，撤退武汉地区部队，长江南岸部队撤至湘北及鄂西地区，长江北岸地区部队撤至鄂北、鄂西北地区。蒋介石当晚离武昌飞往衡阳。日军第6师26日占领汉口。波田支队同日占领武昌。27日，日军第116师与第6师各一部占领汉阳。至此，日军攻占武汉三镇，武汉保卫战宣告结束。

在保卫武汉的作战中，中国空军在苏联志愿航空队配合下，与进犯的日军飞机进行了激烈战斗，取得了重大战果。5月19日，中国空军第14队队长徐焕升、第19队副队长佟彦博，各驾一机自汉口起飞，至宁波前进基地降落加抽后，直飞日本，在长崎、福冈、久留米、佐贺及九州各城市散发了传单，并侦察了军港及机场情况，次日分别返回玉山、南昌，后安返汉口机场，首次完成远征日本本土的任务。

6月中旬，日军沿江而上向安庆等地开始进攻后，中国空军以主力轰炸长江日军舰艇以及芜湖等地日军机场，并抗击日军飞机的空袭。前后5个月的作战，共击落日军飞机62架，炸毁日军飞机16架，炸沉日军舰艇23艘，给日军以沉重打击，有力地支援了地面部队保卫武汉的作战。在作战中，苏联援华志愿航空队，表现了崇高的国际主义精神，他们在与中国空军配合一道对日军的作战中，取得了突出的战绩，其中许多人血洒长空，贡献出宝贵生命。（见附图6）