日軍第2集團軍為了加強進攻速度，被迫使用預備力量，命令第3師團協同第10師團向信陽進攻。日軍第10師團得到增援後，調整部署，重新組織進攻。
10月中下旬，日軍第11集團軍和第2集團軍逐漸逼近武漢。長江南岸的日軍第9師團和波田支隊，在辛潭鋪附近渡過富水河，攻占陽新、大冶，接著攻占葛店後，準備進攻武漢。第9師團企圖攻占賀勝橋，第27師團向鹹寧前進，企圖切斷鹹寧附近粵漢鐵路，直接威脅武漢右翼。日軍9個師團20多萬兵力從東麵、南麵和北麵對武漢形成三麵包圍。
10月20日以後的那幾天，岡村寧茨看到，日軍在前進中被險峻山地所阻，行動緩慢，心中著急。他思考良久，根據山地作戰原則，提出部隊向右迂回，進入到丘陵地帶，這樣也許可以進展得快些。這個想法剛要布置下去，一位參謀也提出了改變部隊行動方向的方案。岡村寧茨馬上予以批準。
日軍日益逼近武漢，蔣介石眼見武漢難守，認為武漢在戰略上的重要性已經減弱，國民政府軍委會決定，10月25日放棄武漢，軍隊撤離，保存實力。撤退前，蔣介石命令國軍破壞武漢的戰備設施，以防被日軍所利用，在這種情況下，武漢周圍的爆炸聲越來越密集了。
深夜，蔣介石同夫人宋美齡一起乘飛機離開武漢，前往湖南衡陽以北的南嶽。誰知飛機在黑暗中迷失了方向，飛了3個小時，仍然無法找到衡山機場，不得不冒險飛回漢口機場。
25日淩晨1時30分，蔣介石和宋美齡乘坐的飛機在漢口機場降落時，工作人員已經開始破壞機場，日軍的炮彈不時落在機場上。蔣介石和宋美齡立即換乘另一架飛機，在晨霧中飛向南嶽。
根據整體作戰方案，參戰部隊很快撤退了。長江南岸，第九戰區部隊撤至江西、湖南兩省的永修、幕阜山和嶽陽以南一線。長江北岸的第五戰區部隊，撤退到湖北西北部，並在大別山區建立了遊擊基地。
武漢大會戰，曆時4個半月，時間之久，規模之大，犧牲之重，是抗日戰爭中其他戰役所不能比擬的。在會戰過程中，中國軍隊動員130個師，約100萬人，傷亡、失散約占半數。日軍傷亡、失散、被俘人數達20萬人，染病15萬人。先後擊落日軍飛機62架，炸毀日軍飛機16架，炸沉日軍艦艇23艘。
尤其是中山艦在日軍飛機攻擊下重傷後，自沉江底，表現出偉大的民族氣節。
至此，中國的沈陽、北平、天津、上海、徐州、南京、廣州、武漢等大城市都淪入日本侵略者之手。
從蘆溝橋事變到武漢淪陷，曆時1年又4個月。日本侵略軍動用了陸軍30多個師團，此時日本陸軍共有34個師團，其國內僅剩1個師團。出動了全部的作戰空軍和70%的海軍，企圖速戰速決，一口吞下中國。
國民政府軍委會以防禦戰遲滯日軍和消耗日軍，從沿海向內地後退千餘公裏，從華北到華中後退約1300公裏。中國又有100多萬平方公裏國土被日本侵略軍侵占，1億多中國人民遭受日軍奴役。中國軍隊付出了沉重的代價，給日軍以很大的殺傷和消耗。
蔣介石在10月26日的日記中寫道：觀察敵勢，在直線溯江而上，僅占要塞、據點，而不作野戰，以期先占武漢，為唯一目的。餘對防守武漢，決不無謂犧牲，必須保持相當兵力，待機應變，以做最後勝利之基礎。
10月31日，蔣介石發表《為放棄武漢告全國同胞書`》。提出他的戰略思想是遲滯日軍，以空間換時間，把東南方向的物資運到西北、西南，建設後方根據地。這個文件指出：
“保衛武漢之軍事，其主要旨意在於阻滯敵軍西進，消耗敵軍實力，準備後方交通，運輸必要武器，遷移東南與中部之工業，以進行西北、西南之建設。吾同胞應知此次兵力之轉移，不僅為我國積極進取，轉守為攻之轉機，且為徹底抗戰，轉敗為勝之樞紐。”
駐美大使胡適看到蔣介石發表的文告後，把其中有關持久抗戰的內容譯成英文，交美國總統羅斯福。羅斯福當即批準“桐油借款”2500萬美元，給中國抗戰以鼓勵。
武漢會戰結束後，日軍對中國速戰速決的幻想破滅。在這一年四個月的作戰中，日軍傷亡50多萬人，耗費了巨大的戰略物資，日本已經無力再進行大規模的進攻了，而力求在戰爭中殲滅中國軍隊主力的計劃，也沒有達到。
中國軍隊有計劃的戰略退卻，並在日軍所占地域四周，構築了新的防禦體係。而中共領導的八路軍和新四軍及敵後遊擊隊，在日軍占領區域內四麵出擊，給日軍以重大打擊，並且建立了人口達5000多萬的敵後抗日根據地。形成了以國民黨軍隊為主的正麵戰場，和以中共軍隊為主的敵後戰場。戰爭進入戰略相持階段。
武漢會戰結束不久，日軍大本營決定解除華中派遣軍第2集團軍戰鬥序列，把第2集團軍所屬第3、第13、第16師團劃歸岡村寧茨的第11集團軍，第11集團軍所屬的第27師團，編入華北方麵軍戰鬥序列，波田支隊歸廣州方麵的第21集團軍。這樣，日軍第11集團軍實際上有7個師團20多萬人。分布在武漢及其周圍地區的一些據點裏，作為中國中部的戰鬥集團。
在日軍第11集團軍的周圍，國軍第五戰區李宗仁部在豫南、鄂東北、鄂西北和鄂中地區；第九戰區薛嶽部在鄂南、湘北和贛北地區，對其形成了三麵夾擊之勢。日軍隻能夠占據長江沿線的交通點線和戰略據點，雙方形成對峙狀態。
就在中日戰爭不斷擴大的同時，歐洲方麵的關係正在激化，並且正改變著整個歐洲的局勢。那麼，這是怎麼回事呢？