在中国正面战场，由于日军在太平洋战场连遭惨败，便急欲在大陆打通一条交通线——打通平汉线、奥汉线、湘桂线，从朝鲜的釜山经中国、越南、泰国、马来西亚到新加坡，贯通全部铁路。
日本大本营几经磋商，决定以中国派遣军发动大攻势，攻占平汉铁路中段、奥汉铁路中段及湘桂铁路。
河南属第一战区作战范围。平汉铁路纵贯河南南北。郑州北面原有平汉铁路黄河大铁桥，为阻止日军南渡黄河，1938年2月，中国军队将其炸毁。
1938年6月9日，黄河花园口决堤，自此豫西、豫南中国军队北隔黄河、东隔新黄河泛区与日军对峙。
1941年10月，日军华北方面军为策应驻武汉地区日军第十一集团军进行第二次长沙作战，南渡黄河，在郑州西北的霸王城附近建立桥头堡死守。中国军队未能将其拔除，以至遗患无穷，成为日军1944年打通平汉线的重要出发地。
日军华北方面军接受平汉作战任务后，积极备战，并充实巩固了此地的桥头堡。特别是日本关东军运来架桥材料，不惜一切代价抢修黄河铁桥，黄河铁桥中断6年之后于1944年3月25日修复。
日军华北方面军以第十二集团军为平汉作战的主力，考虑到第十二集团军司令部缺少指挥大规模进攻作战的经验，因此决定由方面军司令部亲自指挥。
4月18日凌晨，东面日军第三十七师、独立混成第七旅由中牟渡河，经河防部队猛烈阻击，至19日，突破第二十八集团军暂编第十五军阵地后，分别向尉氏、洧川、新郑、郑州等地突进，其主力指向密县，与第二十八集团军第八十五军展开战斗。
19日晨，北面日军第十二集团军主力第六十二、第一一零师、独立步兵第九旅，由黄河铁桥跨过黄河，继而向第八十五军进攻。21日突破河防阵地，分别攻占广武、汜水。
22日攻占荥阳，并以一部协同由中牟西犯之日军会攻密县。密县守军第八十五军第二十三师从4月19日至23日夜，血战5昼夜，给日军沉重打击，尔后撤至密县西南。
日军第二线兵团于4月20日夜开始通过黄河铁桥，集结于黄河南岸。中美空军多次轰炸黄河铁桥，但未能将其摧毁。
4月26日起，中国第一战区副司令长官汤恩伯率部向日军反攻。暂编第二十三旅袭占尉氏，第十三、第二十九两军攻击密县日军第一一零师。密县是日军向西迂回的重要屏障，日军拼死抵抗，汤兵团久攻不下，乃以第十三军监视密县。
4月28日，日军开始第二阶段作战，主力由新郑东西一线分途南下。
5月1日，日军攻占许昌，许昌守军新二十九师师长公方良中将牺牲。同日上午8时30分，日军第十二集团军下令主力立即由许昌附近西进，围歼中国第十三军；一部南下打通平汉线。日军于5月8日打通了平汉线。
5月1日夜，日军大举西进。
3日攻占禹县、郊县，4日攻占襄城、临汝、大安，完成了对汤恩伯兵团的包围，奉命在郏县—临汝—大安一线堵击中国军队的日军坦克第三师，企图占领洛阳。
5月4日下午，以师主力向洛阳以南的龙门进攻，致使日军包围圈出现漏洞，汤恩伯兵团乘机冲出重围。
日军坦克第三师进攻龙门，洛阳吃紧。蒋鼎文调兵遣将，巩固龙门、洛阳，并令汤兵团的第十三、第八十五军配合尾击夹击日军。
还在5月3日，蒋鼎文就命令第十四军以第九十四师守洛阳，主力在洛阳以南龙门—伊川一线布防。
4日中午，蒋鼎文又命令第十四军、第四军，归第十四集团军副总司令刘勘统一指挥，阻敌北犯龙门。
7日，蒋鼎文率长官部撤出洛阳，将洛阳守城任务交第十五军军长武庭麟指挥的第十五军第九十四师担任。蒋介石鉴于汤恩伯兵团溃败，担心第一战区彻底崩溃，于5月8日严令死守战区中心洛阳10天至15天。
为围歼洛阳地区守军，日军华北方面军将第六十三师第六十七旅、独立步兵第九旅、第十二集团军野战补充队组成菊兵团，由郑州沿陇海铁路西进，任务是穿插至洛阳以西，封锁洛阳。
以驻山西的日军第一集团军的12个步兵营为基干组成天兵团，由第六十九师师长三浦忠次郎指挥。5月9日晚上由垣曲、白狼、河堤南渡黄河，继而在新安以西切断陇海铁路。
5月13日，洛阳守军陷于重围。洛阳城防战斗始于5月9日，第十五军和第十四军第九十四师殊死血战，予日军重大杀伤。
5月24日晨，日军空投劝降书，广播喊话，限守军于5月24日中午12时投降，否则立即攻城。守军抱定死战决心，不加理睬。24日中午12时，日军开始总攻。
日军飞机27架、大炮100余门，首先向洛阳老城狂轰滥炸，环城工事均被摧毁，兵员武器大部分同归于尽。
下午15时，日军坦克40余辆由东北、西北城角突入。至下午17时，侵入日军万余人，坦克50余辆，驱驰街巷，无法遏止，守军指挥联络全部隔断，全城陷入混战。
黄昏后，武庭麟以弹尽粮绝，无力再战，不得已做紧急处置，命令各部队取捷径夺路突围。晚上，守军由洛阳东南角突出重围。守城期间，军官伤亡530人，士兵伤亡13000余人。洛阳守军孤军奋战16昼夜，牵制日军大量兵力，为战区其他部队后撤创造了条件。
第一战区第四、第三十六、第三十九集团军、刘勘兵团，5月18日由渑池以南小镇翟涯向豫西伏牛山区后撤时，第三十六集团军总司令李家钰主动率本部人马断后，21日遭日军伏击，李家钰当场阵亡。日军攻占洛阳后，平汉作战大体结束。
5月28日，第六十三师部队返回北平。5月底至6月初，日军中国派遣军命令第三十七师、坦克第三师赶赴武汉地区，参加正在进行的湘桂作战。
就在日军攻占洛阳的同一天，即1944年5月25日，日军中国派遣军总司令官畑俊六上将，按计划将前进司令部移到汉口，指导湘桂会战。这时，日军第十一集团军各部也在岳阳附近集结完毕。
日军计划首先以第十一集团军夺取长沙、衡阳，为进攻桂林、柳州做好准备。
中国称这一时期的作战为长衡会战。
5月27日，日军第十一集团军在100多千米的正面上发动攻势，进展迅速，6月18日攻占长沙，并向衡阳进犯。中国第九战区预定在渌水、涟水以北地区与日军决战的计划被迫放弃。为了阻止日军深入，保卫衡阳，中国国民政府军事委员会在6月20日命令第九战区以一部在原口、衡山之间持久抵抗，主力由醴陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东，夹击深入之敌而歼灭之；以第十军固守衡阳；从第七战区开来的第六十二军仍归军事委员会直辖，控制在衡阳西南地区待命。
第九战区在正面兵力配置薄弱，加之日军来势凶猛，避实击虚，钻隙突进，往往以便衣队为前驱，少者10余人，多者百余人，随处扰袭，使中国军队处处顾虑。
至6月23日，日军进抵衡阳近郊，并东犯攸县，西陷湘乡，牵制第九战区外围部队，衡阳守军从此陷于包围。此时衡阳守军是第十军和第五十四师一部，共约18000人。
28日拂晓，日军第六十八、第一一六师、第五十八师志摩支队对衡阳发动第一次总攻。守军第十军士气高昂，防御异常坚固，且炮火占优势，打退了日军一次又一次冲锋。
上午9时30分左右，第十军迫击炮击中日军第六十八师指挥所，日军第六十八师师长佐久间为人及该师参谋长、主任参谋等均负重伤。7月2日，日军第十一集团军被迫下令暂停攻击衡阳。日军第二次总攻前，为破坏守军的生存条件，从7月3日至6日，日军飞机向衡阳投下大量的燃烧弹，衡阳城大火熊熊。在衡阳红十字医院的千余名重伤员来不及迁走，不幸罹难。第十军屯集的粮弹，也被焚毁不少，所幸大米、食盐埋在地下，得以保存。7月10日前后，日军赶运大炮、弹药的任务及航空兵部队的准备大体完成。日军第六十八师新任师长堤三村男中将也于7月11日到任。7月11日，日军将重点指向衡阳西南，发起第二次总攻。日军占领了一些前沿阵地，但怎么也攻不下衡阳西南的岳屏山，随后陷入僵局。日军第五十八师志摩支队支队长志摩源吉少将又被迫击炮击毙。中国军队前来解围的第六十二军逼近衡阳城南郊。至此，日军不得不在7月20日结束第二次衡阳攻坚战。
7月11日，日军发动衡阳第二次总攻时，第十军告急。7月12日，军事委员会命令第二十七集团军副总司令李玉堂率第六十二军，立即由衡阳西南迅速猛攻敌背，希望一鼓作气歼灭围攻衡阳之日军。第七十九军应协同第六十二军向衡阳西北郊猛攻，并以第一零零军第六十三师由北向南攻击永丰方面之敌，策应作战。
第六十二军奉令后，前锋立即由洪桥沿湘桂铁路正面展开攻击，主力由祁阳东北跟进。在白鹤铺，日军用枕木构成坚固阵地，拼命死守。
第六十二军军长黄涛感到相持下去，耽误时间，便以一个团监视白鹤铺之敌，主力绕过白鹤铺从湘桂铁路南面攻击前进。
7月15日，第六十二军进至六塘东南，19日乘隙渗透到衡阳西南郊，一部直抵衡阳城南黄茶岭，与衡山守军隔山相望。第十军派部队出来接应，途中遭日军截击，牺牲重大，双方未能联系上。
由西北面前来解围的第七十九军当面敌情严重，进展较缓。第六十二军进抵城郊时，第七十九军尚在蒸水以北，第六十二军腹背受敌，伤亡重大，补给中断，22日撤至铁关铺以南地区。
第六十二军第一五一师副师长余子武在解围战斗中阵亡。待第七十九军一部于7月下旬渡过蒸水进抵衡阳西北郊时，日军得以调集优势兵力反扑。这次解围，由于两个军步调不一，被日军各个击破。
此时衡阳守军已在优势之敌围攻下，苦战一个多月。
7月27日，军事委员会确定增调兵力，再次向围攻衡阳之日军反击，从第四战区调来第四十六军，并调来坦克部队，配合第六十二、第七十九、第一零零军再次解围。
日军为第三次总攻衡阳，其第五航空集团军从8月2日起，不分昼夜地对衡阳狂轰滥炸。日军轻重火炮百余门从8月3日下午起，也夜以继日地作地毯式炮击，一部分野山炮更推进至第十军阵地前百米以内，直接射击侧防阵地。
8月4日拂晓，日军近5个师，在横山勇亲自指挥下，从四面八方对衡阳城发动第三次总攻。
从6月23日至8月3日，第十军已被围攻42天，预十师伤亡达90%以上，第三师伤亡70%以上，第一九零师尚存官兵约400人；军直属队中除辎重团尚存官兵约500人外，其搜索、特务、工兵、炮兵等营尚存不足1/3；全军步兵团级军官伤亡殆尽。
第三师第八团争夺城南五桂岭，半天之内曾连续晋升5个营长，均先后壮烈殉职，就是这样守住了五桂岭。在夏日炎炎，遍地积尸，满城恶臭，群蝇乱飞的环境中，官兵们英勇顽强地坚守着。
日军第三次总攻中，不顾一切实施波浪式的自杀式冲锋，其攻势之猛、兵力之大、火力之强、持续时间之久，为开战以来所少有。第十军以手榴弹和刺刀浴血死战，寸土必争，将一波又一波日军消灭在阵地前。
8月6日凌晨3时，衡阳城西北演武坪一度被日军突破，日军50多人窜入城内。这是日军首次窜入城内。
7日拂晓，日军第五十八师500多人突破城西北青山街，守军营长、团长相继阵亡，突破口越来越大，双方在城西北展开巷战，其余各阵地同时遭强大日军围攻。
8月8日拂晓，方先觉率领参谋长、4个师长到城南天町主教堂日军第六十八师司令部投降。第十军不愿投降的官兵继续抵抗，直至流尽最后一滴血。
第十军在衡阳保卫战中，孤城喋血47昼夜，伤亡达15000余人，其中阵亡达6000余人。日本投降后，曾指挥衡阳解围的李玉堂在长沙受降，特意集合日军高级将领询问他们进攻衡阳城时伤亡多少人，日军将领一致承认伤亡达48000余人。
日军第十一集团军攻占衡阳后，8月下旬，沿湘桂铁路向西进犯。9月13日晚占领广西北部门户全县，准备进攻桂林、柳州。
8月26日，日军大本营下令组建第六方面军，以冈村宁次为司令官，下辖第十一、第二十三、第三十四集团军。
9月9日，日军第二十三集团军第十四、第二十二师、独立混成第二十二、第二十三旅，在集团军司令官田中久一中将指挥下，分别由广东省清远、江门、新会、开平、台山、雷州半岛北部的遂溪出动，进犯广西。9月22日攻占梧州，28日占领平南、丹竹。
10月11日，日军独立混成第二十三旅占领桂平以及桂平南面的蒙圩。
第四战区司令长官张发奎判断，日军有由桂平继续向武宣、来宾直趋柳州，以钳桂林、柳州守军侧背的企图。如果日军越过武宣、来宾，其危害程度立刻可以波及柳州和黔桂铁路后方的安全。于是，张发奎放弃在荔浦作战的计划，决心将机动部队第四十六、第六十四军由荔浦转用于桂平方面，首先击破桂平之敌，以排除柳州侧背的威胁。
10月21日，桂平战斗开始。中美空军经常保持飞机50架以上支援桂平作战。空军炸毁了日军独立混成第二十三旅的通讯设施，使其与集团军司令部通讯中断将近一周之久。
27日，第六十四军摧毁了蒙圩等日军外围据点，继续向桂平城扩张战果。日军独立混成第二十三旅伤亡十分惨重，弹药告罄，准备突围。
可正在这时，桂林方面的战况对中国军队极度不利，桂林外围阵地被日军突破，日军已到达桂林东郊、平乐、阳朔及桂林南面的永福附近，柳州受到直接威胁。
同时，桂平方面，日军第十四、第二十二师赶来救援，严重威胁攻击部队左翼。据此，张发奎不得不于28日下令停止攻击，第四十六军掩护第六十四军向柳州转移。
桂平反击战完全出乎日军预料之外，打乱了日军第二十三集团军进攻柳州的兵力部署，推迟了它向柳州推进的时间，使第四战区部队后来得以顺利从柳州撤退。
10月26日，日军第六方面军命令第十一集团军对桂林发起攻势。
漓江由南向北流过桂林市东部。桂林城防司令韦云淞、第三十一军军长贺维珍，以第三十一军第一三一师防守桂林城北部及其附近要点，该师组成独立守备队，防守漓江东岸七星岩等要点；以第四十六军之第一七零师防守桂林城南部及其附近各要点。守军总兵力约17500人。
10月28日，日军第十一集团军由北、东、南三面，分路进攻，先将桂林外固守军向西压迫，使桂林守军陷入孤立。
29日起，日军对桂林城四郊全面实施进攻。桂林北面悬崖绝壁，无法攀登；西边叠岭重山，难于攻占；南面地形虽不及西北两面，但阵地构筑巧妙。
日军攻了几天，受重大损伤，守军阵地岿然未动。漓江东岸，独立守备队隔江孤立，较易攻击，于是日军决定以主力占领东岸，再渡河攻击。
11月4日至5日，日军使用窒息性毒气猛攻东岸七星岩阵地，守军800余名官兵，在七星岩石洞内被毒死，阵地被日军占领。
6日，日军利用七星岩作为观测所，整天炮击桂林市区，引起火灾，市内房屋焚毁殆尽。7日，日军由定桂门、中正桥、马王洲三处强渡漓江。定桂门方面，守军火力猛烈，日军渡河失败。8日，由中正桥、马王洲强渡漓江之敌，夺取中正桥桥头堡3座。9日，第一七零师抽调班长组成突击队，将桥头堡夺回。10日下午，韦云淞召开紧急会议，决定由西南角突围。11日，桂林失陷。
日军第十一集团军进攻桂林的同时，违背方面军的作战计划，命令第三、第十三师向柳州进攻。
柳州城原由第六十二军防守，桂平反击战受挫后，该军调武宣、来宾以南阻击日军，乃临时以第二十六军守柳州。第二十六军先头部队11月6日到达柳州，11月7日全部到达。
柳州外围由第三十五集团军、第二十七集团军、第十六集团军各一部防守，第四十六军为总预备队，控制于柳州西侧。
11月4日，桂、柳之间的永福被日军第十一集团军突破。6日，日军第二十三集团军也进抵柳州外围，在红水河、柳江及柳州、柳城几个方向全线展开激战。张发奎决定放弃柳州，7日，他命令开始破坏柳州的机场和柳州附近的铁道。11日，柳州、桂林同时失陷。
27日，日军第三师占领黔桂交界处的黎明关，闯进贵州省。12月2日上午10时30分，日军攻占独山。这时，由第一、第八战区调来的第二十九、第五十七军赶到战场，在汤恩伯指挥下，向日军反击，12月8日中午攻克独山，陆续将日军逐出贵州省。12日攻占南丹，13日攻占车河，尔后与日军在河池对峙。
日军第十一集团军向贵州进犯时，日军第二十三集团军南下，11月21日攻占宾阳，24日攻占南宁。
此时，日军驻越南的第二十一师北上，12月2日攻占龙州，10日，与由南宁南下的日军第二十三集团军在扶绥一带会合。至此，日军完全打通与南方军联系的陆上交通线。
至1945年1月26日，驻广州日军第二十三集团军与驻衡阳日军第二十集团军相配合，打通了粤汉铁路。2月7日，占领并炸毁了江西省遂川、赣州的中美空军机场。至此，日军完成了作战任务，攻占了预计中的所有目标。
