8月8日拂曉，方先覺率領參謀長、4個師長到城南天町主教堂日軍第六十八師司令部投降。第十軍不願投降的官兵繼續抵抗，直至流盡最後一滴血。
第十軍在衡陽保衛戰中，孤城喋血47晝夜，傷亡達15000餘人，其中陣亡達6000餘人。日本投降後，曾指揮衡陽解圍的李玉堂在長沙受降，特意集合日軍高級將領詢問他們進攻衡陽城時傷亡多少人，日軍將領一致承認傷亡達48000餘人。
日軍第十一集團軍攻占衡陽後，8月下旬，沿湘桂鐵路向西進犯。9月13日晚占領廣西北部門戶全縣，準備進攻桂林、柳州。
8月26日，日軍大本營下令組建第六方麵軍，以岡村寧次為司令官，下轄第十一、第二十三、第三十四集團軍。
9月9日，日軍第二十三集團軍第十四、第二十二師、獨立混成第二十二、第二十三旅，在集團軍司令官田中久一中將指揮下，分別由廣東省清遠、江門、新會、開平、台山、雷州半島北部的遂溪出動，進犯廣西。9月22日攻占梧州，28日占領平南、丹竹。
10月11日，日軍獨立混成第二十三旅占領桂平以及桂平南麵的蒙圩。
第四戰區司令長官張發奎判斷，日軍有由桂平繼續向武宣、來賓直趨柳州，以鉗桂林、柳州守軍側背的企圖。如果日軍越過武宣、來賓，其危害程度立刻可以波及柳州和黔桂鐵路後方的安全。於是，張發奎放棄在荔浦作戰的計劃，決心將機動部隊第四十六、第六十四軍由荔浦轉用於桂平方麵，首先擊破桂平之敵，以排除柳州側背的威脅。
10月21日，桂平戰鬥開始。中美空軍經常保持飛機50架以上支援桂平作戰。空軍炸毀了日軍獨立混成第二十三旅的通訊設施，使其與集團軍司令部通訊中斷將近一周之久。
27日，第六十四軍摧毀了蒙圩等日軍外圍據點，繼續向桂平城擴張戰果。日軍獨立混成第二十三旅傷亡十分慘重，彈藥告罄，準備突圍。
可正在這時，桂林方麵的戰況對中國軍隊極度不利，桂林外圍陣地被日軍突破，日軍已到達桂林東郊、平樂、陽朔及桂林南麵的永福附近，柳州受到直接威脅。
同時，桂平方麵，日軍第十四、第二十二師趕來救援，嚴重威脅攻擊部隊左翼。據此，張發奎不得不於28日下令停止攻擊，第四十六軍掩護第六十四軍向柳州轉移。
桂平反擊戰完全出乎日軍預料之外，打亂了日軍第二十三集團軍進攻柳州的兵力部署，推遲了它向柳州推進的時間，使第四戰區部隊後來得以順利從柳州撤退。
10月26日，日軍第六方麵軍命令第十一集團軍對桂林發起攻勢。
漓江由南向北流過桂林市東部。桂林城防司令韋雲淞、第三十一軍軍長賀維珍，以第三十一軍第一三一師防守桂林城北部及其附近要點，該師組成獨立守備隊，防守漓江東岸七星岩等要點；以第四十六軍之第一七零師防守桂林城南部及其附近各要點。守軍總兵力約17500人。
10月28日，日軍第十一集團軍由北、東、南三麵，分路進攻，先將桂林外固守軍向西壓迫，使桂林守軍陷入孤立。
29日起，日軍對桂林城四郊全麵實施進攻。桂林北麵懸崖絕壁，無法攀登；西邊疊嶺重山，難於攻占；南麵地形雖不及西北兩麵，但陣地構築巧妙。
日軍攻了幾天，受重大損傷，守軍陣地巋然未動。漓江東岸，獨立守備隊隔江孤立，較易攻擊，於是日軍決定以主力占領東岸，再渡河攻擊。
11月4日至5日，日軍使用窒息性毒氣猛攻東岸七星岩陣地，守軍800餘名官兵，在七星岩石洞內被毒死，陣地被日軍占領。
6日，日軍利用七星岩作為觀測所，整天炮擊桂林市區，引起火災，市內房屋焚毀殆盡。7日，日軍由定桂門、中正橋、馬王洲三處強渡漓江。定桂門方麵，守軍火力猛烈，日軍渡河失敗。8日，由中正橋、馬王洲強渡漓江之敵，奪取中正橋橋頭堡3座。9日，第一七零師抽調班長組成突擊隊，將橋頭堡奪回。10日下午，韋雲淞召開緊急會議，決定由西南角突圍。11日，桂林失陷。
日軍第十一集團軍進攻桂林的同時，違背方麵軍的作戰計劃，命令第三、第十三師向柳州進攻。
柳州城原由第六十二軍防守，桂平反擊戰受挫後，該軍調武宣、來賓以南阻擊日軍，乃臨時以第二十六軍守柳州。第二十六軍先頭部隊11月6日到達柳州，11月7日全部到達。
柳州外圍由第三十五集團軍、第二十七集團軍、第十六集團軍各一部防守，第四十六軍為總預備隊，控製於柳州西側。
11月4日，桂、柳之間的永福被日軍第十一集團軍突破。6日，日軍第二十三集團軍也進抵柳州外圍，在紅水河、柳江及柳州、柳城幾個方向全線展開激戰。張發奎決定放棄柳州，7日，他命令開始破壞柳州的機場和柳州附近的鐵道。11日，柳州、桂林同時失陷。
27日，日軍第三師占領黔桂交界處的黎明關，闖進貴州省。12月2日上午10時30分，日軍攻占獨山。這時，由第一、第八戰區調來的第二十九、第五十七軍趕到戰場，在湯恩伯指揮下，向日軍反擊，12月8日中午攻克獨山，陸續將日軍逐出貴州省。12日攻占南丹，13日攻占車河，爾後與日軍在河池對峙。
日軍第十一集團軍向貴州進犯時，日軍第二十三集團軍南下，11月21日攻占賓陽，24日攻占南寧。
此時，日軍駐越南的第二十一師北上，12月2日攻占龍州，10日，與由南寧南下的日軍第二十三集團軍在扶綏一帶會合。至此，日軍完全打通與南方軍聯係的陸上交通線。
至1945年1月26日，駐廣州日軍第二十三集團軍與駐衡陽日軍第二十集團軍相配合，打通了粵漢鐵路。2月7日，占領並炸毀了江西省遂川、贛州的中美空軍機場。至此，日軍完成了作戰任務，攻占了預計中的所有目標。