南寧告急，震動了整個西南大後方。日軍進攻南寧不僅使國際交通線被切斷，滇越鐵路遭受攻擊，而且難保日軍不乘勢進攻柳州、貴陽，直逼國民黨統治中心的重慶。蔣介石經再三考慮，終於下了狠心將第5軍投入戰鬥，與日軍決一死戰。第5軍是當時中國唯一的機械化部隊，經擴編後，在後方基地精心訓練了三年，不僅官兵素質高，戰鬥力強，而且擁有坦克、裝甲車、重炮等現代化武器，一直被蔣介石視為心肝寶貝。這支軍隊中的王牌，號稱“鐵軍”，直接歸屬最高統帥部指揮，不到實在沒有辦法的時候，蔣介石一般是舍不得動用該部隊的。
第5軍軍長杜聿明接到緊急命令後，當即命令第200師派出兩個步兵團作為先遣部隊，先行由桂林向南寧進發，軍直屬部隊和其他兩個師迅速往廣西賓陽地區集結。此次是該軍對日第一仗，所以蔣介石特別重視，命令白崇禧、杜聿明一定要等到全軍集結完畢後，才可投入戰鬥。其用意顯然是要集中使用兵力，打出中國第一支機械化部隊的威風來。
先行的第200師其主要任務是增援南寧的保衛戰，遲滯日軍的進攻速度，為中國軍隊大部隊集結爭取時間。然而，日軍的進攻速度太快。第200師第600團在師長戴安瀾的率領下，從500公裏外的全州直撲南寧，行進到南寧市郊二塘和三塘地區，與正在進攻的日軍遭遇上了。雙方便在寧武路上展開了激戰。第600團展開戰鬥隊形，就地修築工事阻擊日軍的進攻。日軍在飛機、大炮的掩護下，向第600團發起多次猛攻。第600團在各種炮火的支持下沉著應戰，以猛烈的火力進行有力的反擊，打退了日軍一次又一次的進攻。
次日拂曉，日軍見無法突破第600團的防線，便改變正麵硬攻的戰法，派出部隊向我軍側後迂回，企圖截斷中國軍隊的後方補給線，並形成包圍之勢。第600團邵一之團長親自率領一個步兵連繞到陣地側翼，突然向日軍迂回部隊發起反擊。激戰中，邵團長犧牲。第600團官兵得知團長犧牲，悲憤無比。他們大呼為團長報仇，奮力向日軍發起猛烈反擊，將企圖迂回作戰的日軍擊退。
孤軍奮戰的第600團，經過兩天的激戰，副團長文模身負重傷，團副吳其升也中彈殉國，全團官兵傷亡近半。11月26日晚上，第600團在第1營吳大偉營長的率領下逐步撤至高峰隘及甘圩地區，占領有利地形，繼續抗敵。
這時第200師第598團趕到戰場，部署在南寧東北七、八塘之間，與從南寧撤出的第135師等軍隊一起頑強地抵住了日軍的進攻。第598團在八塘附近與北進的日軍苦戰一周，擊斃了大量日軍，為掩護第5軍主力集結爭取了寶貴的時間。
30日，日軍用強大的炮火摧毀了中國軍隊的陣地，然後發起大規模衝鋒。雙方苦戰一整天，傍晚，中國軍隊退至九塘。
12月1日，日軍攻占高峰隘，中國部分軍隊被迫向武鳴方向撤退。第二天早上，第16集團軍司令夏威指揮3個師，在坦克的掩護下展開反攻，曾一度奪回了八塘陣地。12月3日，日軍第5師團將最精銳的第21旅團投入戰鬥，在飛機、山炮的掩護下發起瘋狂進攻，終於在第600團和188師防線的結合部撕開一道口子，進而占領了八塘、九塘，直撲昆侖關。12月4日，日軍攻占了桂南戰略要地昆侖關。此後，日軍與中國軍隊圍繞著南寧以北的高峰隘和昆侖關一線，形成戰略對峙局麵。
南寧以及昆侖關失守後，蔣介石反倒冷靜下來，指示部隊作戰不急求速勝，應當慎重。一方麵命令桂南各部在武鳴、賓陽地區以運動戰的方式阻止日軍北上，另一方麵加緊對日軍後方的遊擊騷擾，對邕欽公路繼續破壞其交通通信，同時迅速調集重兵準備反攻。
經偵察，中國軍隊獲知從欽州灣至南寧、由南寧到昆侖關，隻有日軍第5師團和台灣混成旅團，不僅兵力相當分散，而且正在組織人力填平南寧向西被我軍破壞的公路，準備攻打龍州和鎮南關（今友誼關）。此時，在南寧附近僅有4個聯隊，因邕欽公路尚未修複，日軍重炮和機械化部隊無法增援上來。
此時，第5軍已抵達迂江集結完畢。對比敵我雙方戰略態勢，無論兵力、裝備中國軍隊都占優勢。綜合上述情況，白崇禧電請蔣介石下令組織反攻。12月6日，蔣介石複電白崇禧同意桂南軍隊迅速反攻南寧。第5軍全部投入戰鬥，最高統帥部將派空軍協同作戰。整個反攻戰役由白崇禧統一指揮。
12月16日，桂林行營向所屬各部下達了作戰命令。同一天，陳誠、李濟深從重慶飛往桂林，當即乘汽車趕到已移至遷江的桂林行營指揮部，協同白崇禧指揮反攻南寧之戰。蔣介石用意很明顯，陳誠來了，白崇禧就可放心大膽地指揮中央嫡係部隊；而李濟深是粵軍的元老，有他來粵軍也能聽話了。