外，强化工事构筑，在原有野战工事和半永久工事的基础上又加筑永久工事，工事强度要求"；能抵抗15厘米榴弹炮及野炮全弹"；，并"；力求纵深配置，而不求在一线上"；。
"；江防"；方面，在马当江段建立了一条阻塞线。阻塞线以石块、水泥、铁丝网及木桩等建成，其顶部低于水面约2米，形如暗礁，并在阻塞线的前后布水雷800余枚。此外，还将会战江段各种航道标志全部毁除。
到1938年5月，武汉及其周边地区的永久性工事总数超过600，外围和内围、江岸大约各占一半。
在会战物资准备方面，强化了粮食（含米面、油盐及其他重要日用品）等战略性物资的管理，专门制定了"；武汉及第9战区战时食粮管理办法"；，该办法规定，"；应备三个月民用粮食"；，并专责"；武汉粮食调剂委员会"；办理"；筹屯"；。另外，第9战区专门"；成立战时粮食管理处，负责统制湖北全省粮食"；。
在会战动员方面，积极动员社会各个阶层、各种力量支援会战，"；成立了商会、工会、农会、学生会、文化团体联合会、自由职业团体联合会、妇女团体联合会"；等各种抗日团体，"；依照着居住地、工作场所和工作性质，组织了宣传、慰劳、征募、工程、运输、侦察、技术、救护、消防、向导十数种工作队"；。这些工作队"；应绝对服从命令，遵守纪律，努力工作，非经呈请核准不得擅自离队，必要时得以军令部勒之"；。
为了争取到更多时间以加固武汉之防卫，中国在6月11日于郑州花园口打开黄河堤坝，这场洪水现在被称为花园口决堤事件阻延了日军对武汉的进攻，但是亦导致1939年华北很多城市出现洪水泛滥。
1938年9月16日，军事委员会制定了《武汉会战作战计划》，"；以自力更生持久战为目的，消耗日之兵源及物质，使敌陷入困难，促其崩溃"；。该计划强调，"；预期在武汉外围与敌主力作战四个月，予敌以最大之消耗，粉碎其继续攻势之能力"；。
中方的会战总体构想是，"；要以持久战、消耗战，打破敌人速战速决之企图"；，"；确保武汉核心、持久抗战、争取最后胜利"；，"；使不能达速战速决之目的，而消耗疲惫之"；，"；此次作战，将不以一城一地的得失进退为重，而在于自动地选择有利的作战地区，达成歼灭敌人有生力量之目的。"；
中方先后共有将近130个师的中国军队投入战斗，而40多艘水面舰只、上百架作战飞机也分别在长江之上、长空之中与侵略者展开了激烈搏杀。中方作战人员共计约110万人。
战争开打
6月13日，日军在海军支援下登陆攻占安庆市，这被视为武汉会战的开端
7月23日，日军进攻九江。九江战略价值十分突出，是日军沿江西进的必经之地，是中国军队实施大武汉保卫战的重要支点，因此双反都志在必得，投入了重兵。
日军集中停泊于长江上的军舰20余艘向岸上守军阵地猛轰，并调来飞机数十架助战。在敌优势火力面前，尽管各守备师拼死抵抗，但终因实力悬殊，战斗逐渐进入不利情形。
第9战区研判战局，担心梯次向九江方向投入增援部队，可能不仅无法根本扭转战局，反而会对在赣北、鄂东主要阵地的坚守防御造成影响，因此决定弃守九江。
7月25日晚中国守军完成撤退，26日晨日军完全占领九江。
国民政府军事委员会对九江作战失利大为恼火，将作战不力的预备第11师、第128师两个师的番号撤消。
8月24日，日军攻占瑞昌。
8月30日，日军攻占广济，广济位于大别山南麓，是武汉保卫战第2线防御体系中的一个要点，距田家镇要塞仅40与公里。
9月15日，日军开始进攻田家镇。田家镇要塞位居九江以西数十公里处，系长江北岸的一处重要江防要塞，地势险要，此处江面甚窄，长江两岸三山并立，互为犄角，易守难攻，被视为长江屏障武汉的重要门户之地。历史上，三国时期东吴军队、清朝太平天国军队都曾在此横江锁道，与魏军、清军大战。
蒋介石曾就田家镇的防卫作战准备工作强调说，"；田、富（位于田家镇对岸）要塞为大别山及赣北我主阵地之锁钥，乃五、九战区会战之枢轴，亦武汉最后之屏障。其地位重要，勿待多言。而崇山对峙，江面狭窄，复有相当工事及备炮，徇我国最坚之要塞。查各该部乃国军精锐，其各激发忠勇，以与要塞共存亡之决心，积极整备，长期固守，以利全局，以扬国威，并晓谕官兵共体兹意"；，
9月29日，田家镇失守，日军亦付出惨重代价。日军在黄梅、广济、田家镇一线大别山南麓战场的一系列战斗中，元气大伤，西进步伐明显放缓，日军直至10月下旬方才重新展开进攻占领上巴河地域。
9月19日日军渡过黄河，9月21日攻占庐山。
第9战区第一兵团司令长官的薛岳根据万家岭一带系山岳丛林地的特点，将部队部署成了反八字形阵势，自言，"；如袋捕鼠，又如飞剪，敌犯右则中左应，犯左则中右应。敌苦钻进来，就很难逃出去。"；
薛岳此战的"；胃口"；很大，"；决抽德星、南浔、瑞武3方面兵力之第66军、第4军、第74军、第187师、第139师之一旅、第91师、新编第13师、新编第15师之一旅、第142师、第60师、预备第6师、第19师"；共计超过10万人，"；断行围击"；，在以第4军正面阻击106师团的同时，以其他部队取四面包围，向中心地带分进合击的战法，务求一举全歼来犯之敌。
10月1日至3日间，懵懂无知的日106师团在遭遇中方第4军防御阵地之后，拼死向前突击，并调来飞机助战，大有一副"；必欲钻进口袋而后快"；的样子。在组织正面阻击的同时，各路中国军队迅速靠拢过来，包围圈越收越紧。
经过10月5日、6日上午两日与106师团的正面交战之后，薛岳于6日下午下达了合围总攻命令。
10月7日午后，总攻陆续展开。各参战部队都奋勇向前，与敌死战，山中各处杀声震天。据一位参战的中国军人回忆，"；被困于万家岭之敌，抱困兽尤斗之心，对我军围歼，顽强抵抗"；、"；战斗越打越激烈，每个山头，每个村庄，反复争夺，一日而数易其手"；。
另一方面，日106师团亲身经历此战的一名幸存者那须良辅后来在回忆中这样写到，"；雷鸣谷是周围环山的狭小盆地，我们向这峡谷进军。后来才知道，周围的山中有数万敌军在等待我们"；、"；当我发现敌军来袭时，我听到令人恐怖的迫击炮声越过我的头上在前面50米的地方爆炸了。炮弹击中了马群，马群炸了窝般的在烽烟中乱冲胡撞。离开九江时有数千匹马，到雷鸣谷，连一匹马也没有了。从第二天开始，我们的中队就躲在水沟的土堆四周跟敌军对峙。然而由于四周的山中都是敌人，子弹从四面八方飞过来"；。
在另外一份日军遗失于战场的阵中日记中有这样的记载，"；前所未有的激战，中队、小队长死亡很多，战斗仍在艰苦进行，与家人团聚的希望是困难的。"；
此战中，时任51师第305团团长的张灵甫表现突出，先是带领奇兵从绝壁而上突袭得手，后是带伤坚持指挥战斗，坚决堵住了日军突围方向。万家岭战斗结束，张灵甫即被提升为旅长，此后扶摇直上，成为国民党军中“王牌中的王牌”74师师长。，
在冈村不断的严厉要求下，10月10日之后，日第27师团、第17师团、第102旅团等在战车大队、炮兵联队的配合下持续向万家岭地区突进，中国军队外围阻击阵地承受的压力越来越大。
鉴于106师团主力大部已被歼，预定作战任务总体完成，同时自身伤亡也较大，急需补充休整以利后战，薛岳于10月13日向各部下达了撤出战斗的命令。
薛岳在向军事委员会上报的电报中说，"；此次敌穿插迂回作战之企图虽遭挫折，但我集中围攻，未将该敌悉歼灭，至为痛惜"；，但此战几乎予日军整整一个师团以毁灭性打击，歼敌万余，缴获各型火炮近50门，轻重机枪超过200挺，另缴步枪数千支，运输牲口数百，特别是生俘日军官兵共一百多人。
万家岭大捷是武汉会战中一个十分突出的作战成果，当时对于激励我军民团结奋战之心，沉重打击日寇嚣张气焰意义重大。
10月12日日军攻占信阳。
在日军已达成对武汉包围的情况下，为保存力量，中国军队不得不于10月25日弃守武汉。日军26日占领武昌、汉口，27日占领汉阳。
武汉会战共持续4个多月，陆海空立体展开，阵地战、运动战、歼灭战、游击战、空中作战、特种作战等各种作战样式穿插其间。经过四个月的激战，国军空军及海军基本上被消灭。日军虽然攻占武汉，但是国军之大部分主力仍然存在，而日军反而被削弱，日本战前之目的是在武汉作最后决战、以消灭国军的主力及结束战争的目的未能达成，除了在长沙附近的数次战役外，中国战场陷入僵持状态，日军再没有发动大规模进攻直至1944年的一号作战。
中国军队序列
第五战区
一、第3兵团：孙连仲
（1）第2集团军：孙连仲
第30军：田镇南 第30师：张金照 第31师：池峰城
第42军：冯安邦 第27师：黄樵松 独立第44旅：吴鹏举
（2）第26军：肖之楚 第32师：王修身 第44师：陈永
（3）第55军：曹福林 第29师：曹福林 第74师：李汉章
（4）第87军：刘膺古 第198师：王育瑛
二、第4兵团：李品仙
（1）第29集团军：王赞绪
第44军：王赞绪 第149师：王泽浚 第150师：杨勤安
第67军：许绍宗 第161师：官焱森 第162师：张竭诚
第九战区：陈诚
一、第1兵团：薛岳
（1）第20集团军：商震 第32军：商震 第139师：李兆瑛 第141师：唐永良 第142师：傅立平 第18军：黄维 第11师：彭善 第60师：陈沛 第16师：何平 税警旅：蒋冗珂
（2）第9集团军：吴奇伟 第4军：欧震 第59师：张德能 第90师：陈荣机 第8军：李玉堂
第3师：赵锡田 第15师：汪之斌 第66军：叶肇 第159师：谭邃 第160师：华振中 第29军团：王赞绪 第64军：李汉魂 第155师：陈公侠 第187师：孔可权 预备第9师：张言传 第70军：李觉 第19师：李觉 第128师：顾家齐 第91师：冯占海 预备第6师：吉章简 第37军团：王敬久 第25军：王敬久 第52师：唐云山 第190师：梁华盛
（3）第74军：俞济时
第51师：王耀武 第58师：冯圣法
（4）第29军：陈安宝 第40师：李天霞 第79师：陈安宝
（5）第167师：赵锡光
（6）预备第2师：陈明仁
（7）预备第11师：赵宝昌
（8）鄱阳湖警备部队
二、第2兵团：张发奎
（1）第30集团军：王陵基
第72军：王陵基 新编第13师：刘若弼 新编第14师：范南煊
第78军：张再 新编第15师：邓国璋 新编第16师：陈良基
（2）第3集团军：孙桐萱
第12军：孙桐萱 第20师：张测民 第22师：时同然 第81师：展书堂
（3）第31集团军：汤恩伯
第13军：张轸 第23师：欧阳棻 第89师：张雪中 新编第35师：王劲哉
第85军：王仲廉 第4师：陈大庆 第110师：吴绍周
第98军：张刚 第82师：罗启疆 第193师：李宗鉴 第195师：梁恺 预备第13师
（4）第32集团军：关麟征
第52军：关麟征 第2师：赵公武 第25师：张耀明
第92军：李仙洲 第21师：侯镜如 第95师：罗奇
（5）第11军团：李延年
第2军（兼田北要塞）：李延年 第9师：郑作民 第57师：施中诚 田家镇要塞部队
第54军（兼田南要塞）：霍揆彰 第14师：陈烈 第18师：李芳彬 第43师：周祥初
三、武汉卫戍区：罗卓英
（1）江北区指挥官：万耀煌
第6军：甘丽初 第93师：甘丽初 第118师：王严
第46军：樊崧甫 第28师：董钊
（2）江南区指挥官：周喦
第75军：周喦 第6师：张珙 第13师：方靖 第50师：成光耀
（3）武汉警备司令部：郭忏
第94军：郭忏 第55师：李及兰 第185师：方天
（4）第37军：毛秉文 第92师：黄国梁
（5）湖北防空部队
四、第30军团：卢汉
第60军：卢汉 第182师：安恩溥 第183师：高荫槐 第184师：张冲 第49师：李精一 第102师：柏辉章
五、第26军团：万福麟
第53军：万福麟 第116师：周福成 第130师：朱鸿勋
六、江西保安部队
江防军
一、江防军总司令部：刘兴
第49军：刘多荃 第105师：高鹏云 第108师：张文清
第16军 马当守备区：李韫珩 第53师：周启铎 马当要塞司令部：王锡涛
第16军 湖口守备区：薛蔚英 第167师：薛蔚英
湖口总队 第43军（兼九江守备区）：郭汝栋 第26师 九江警备司令部：陈雷
第73军（兼田家镇守备区）：王东原 第15师 第57师 第77师：彭位仁 田家镇要塞司令部：蒋必
二、江防要塞守备司令：谢刚哲
海军总司令部驻黄鄂线以下地区舰队
要塞守备部队（两个营）
总台（黄一、二、三台）
炮兵第45团
江防要塞守备