蔣介石召集保衛武漢的各部隊官長會議，作了長篇訓話，說︰“各位此次奉令率部守衛武漢，職責異常艱巨，使命格外重大，今後武漢的存亡，整個抗戰的勝敗，要由你們負起全責。我們一定要藉此一戰，將寇軍主力殲滅于我陣地前，這樣，才算達成我們的任務，才對得起總理和一般革命先烈在天之靈。高級將領應抱定必死的決心，誓與武漢共存亡。高級長官應始終不離部隊，誓與士兵共患難同生死。高級將領應有堅決的企圖心，雖天崩地裂，此志不移，誓死求其貫徹。”
空軍在甦聯志願航空隊配合下，與進犯的日軍飛機進行激烈戰斗，取得重大戰果。2月18日，日軍驅逐機26架，掩護轟炸機12架，襲擊武漢。中國空軍駐漢口、孝感的第4大隊長李桂丹，率飛機29架起飛迎擊，經激戰擊落日機14架，李大隊長以下5名航空戰士英勇犧牲。
4月29日，日軍飛機39架，偷襲武漢。中國空軍集中飛機67架嚴加戒備，待日軍飛機侵入武漢上空後，分別向日軍轟炸機、驅逐機展開攻擊，共擊落日軍飛機22架。
5月19日，中國空軍第14隊隊長徐喚升、第19隊副隊長佟彥博，分駕2機自漢口起飛，至寧波前進陣地加油後，直飛日本，在長崎、福岡、久留米、佐賀及九州各地城市散發傳單，並偵察了軍港及機場情況，次日分別返回玉山、南昌，完成遠征日本本土的任務。
6月中旬，日軍沿江而上，向安慶等地開始進攻後，中國空軍以主力轟炸長江日軍艦艇以及蕪湖等地日軍機場，並抗擊日軍的空襲。前後5個月的作戰，共擊落日軍飛機62架、炸毀日軍飛機16架、炸沉日軍艦艇23艘。
在武漢會戰時期，是國共兩黨第二次合作關系較好的時期。
1937年11月底，毛澤東、張聞天、朱德等在延安機場歡迎“從昆侖山下來的神仙”，即中共駐共產國際代表團團長、共產國際執行委員會主席團委員、書記處書記王明，以及康生、陳雲、曾山等人。
曾身居高位的王明此時已身價迭落，他從莫斯科啟程回國時，共產國際總書記季米特洛夫對他說︰
“你回中國去要與中國同志關系弄好，你與國內同志不熟悉，就是他們要推你當總書記，你也不要擔任。你雖然在國際工作多年，是執委會成員和書記處書記，但你回國去並不代表國際。你長期離開中國，脫離中國革命實際，回去以後，要以謙遜的態度，尊重黨的領導同志，中國共產黨的領袖是毛澤東，不是你，你不要自封領袖。”
毛澤東等以真誠的態度歡迎王明等人，說他們回到延安是一件大喜事，是“喜從天降”。他們期望王明能同心同德地一起工作，然而，王明在政治局會議上，以欽差大臣自居，作了《如何繼續全國抗戰與爭取抗戰勝利呢》的報告，顯出他志大才疏、愛放空言論的毛病，但多數人卻接受了王明的意見。
毛澤東、張聞天等對王明的報告不以為然，毛澤東說︰“在統一戰線中，國民黨和共產黨誰吸引誰的問題是有的，不要將國民黨吸引共產黨，而是要國民黨接受共產黨的政治影響。沒有這一條，便不能爭取抗戰的勝利。”
張聞天說︰“共產黨在統一戰線中保持組織的獨立性與批評自由是必要的，保持對甦區和紅軍的領導，保持動員與組織群眾的自由也是必要的，這是共產黨的獨立自主，不然就是投降主義。”
盡管毛澤東、張聞天同王明在統一戰線的策略問題上存在分歧，王明仍被選為政治局委員。還有康生、陳雲同時入選政治局委員。政治局重新作了分工，張聞天仍主持日常黨務工作，毛澤東負責軍事，王明負責統一戰線工作。
會議決定由周恩來、王明、博古、葉劍英組成中共中央代表團，負責與國民黨談判，由周恩來、博古、項英、董必武、林伯渠組成中共中央長江局，領導南部中國共產黨的工作；由項英等組成東南局，領導新四軍工作。
蔣介石特邀王明去武漢一談。蔣急需了解共產國際對抗戰以及國民黨的態度。王明同周恩來、博古等一起到了武漢，開始同蔣介石就兩黨進一步合作、團結抗戰事宜進行協商。
老蔣對王明的重視並不表明他會誠心誠意與共產黨合作，而是他有求于甦聯的援助。但王明對此卻作了完全錯誤的判斷，他同蔣介石會談後，便迫不及待地擅自以中共中央名義發表了對時局宣言，公開放棄中共中央以往的原則立場，對國民黨表示讓步。接著，王明又連續發表《挽救時局的關鍵》、《與美國合眾社記者白得恩先生的談話》、《抗日的民族統一戰線》等文章，宣稱中共領導的軍隊應服從蔣介石、閻錫山的統一指揮，中共領導下的政權、軍隊在組織上應同國民黨的政權、軍隊合並。
當王明摸清蔣介石絕無請共產黨員參加政府之意時，便放棄了“共同領導、共同負責”的最後一個要求，宣布共產黨現在並不要求參加政府，只準備從旁幫助國民黨抗戰。
然而，王明的妥協退讓，並沒有帶來所期望的結果，相反被蔣介石視為軟弱可欺。1938年2月，國民黨控制的各種報刊群起鼓噪，大肆宣揚一個黨、一個主義、一個政府、一個軍隊；國民黨以外的一切黨派都沒有獨立存在的理由，甚至要求解散共產黨，取消陝北之“新的封建割據區域”和“自行其事”的八路軍。
中共中央再次召開政治局會議，不僅毛澤東、張聞天，而且政治局大多數成員對王明的政策產生了懷疑。毛澤東提出︰“王明不能再到武漢去。”但王明不願留在延安。最後決定同意王明同凱豐去武漢，但只準他們在那里留一個月。王明沒有執行中央的決定，直到9月中共中央召開六屆六中全會時，他才被迫回到延安。中共中央努力糾正王明的右傾投降主義錯誤，使共產黨在國共合作抗日中，取得了巨大的勝利。
王明在武漢臨時擔任中共中央長江局書記，周恩來任副書記。長江局下設5個機構，葉劍英為參謀處參謀長，李克農為秘書處秘書長，董必武兼任民運部部長，博古兼任組織部部長，王明任黨報（新華日報）委員會主席。
蔣介石一再邀請周恩來擔任國民政府軍事委員會政治部副部長（部長是陳誠），經中共中央批準，周恩來擔任了這個職務。郭沫若任該部第三廳（主管文化）廳長。
國民黨在1938年3月底4月初召開了臨時全國代表大會，通過了《抗戰建國綱領決議案》，選舉蔣介石為國民黨總裁，汪精衛為副總裁。會議還通過了《組織非常時期國民參政會以統一國民意志增加抗日力量案》，並成立了參政會。蔣介石也作出邀請共產黨人參加國民參政會的姿態。中共方面參加參政會的共有7人，即︰毛澤東、王明、博古、吳玉章、林伯渠、董必武、鄧穎超，除毛澤東請假外，其他6人都參加了參政會第一次會議。
共產黨領導的軍隊在同日寇作戰中取得很大的勝利。
日軍從1938年6月初開始了進攻武漢的大規模行動。
日軍一部從蚌埠、鳳陽集結于合肥，再從合肥出發攻打李宗仁的第五戰區，攻下舒城、桐城，進逼潛山，威脅安慶。
日軍在長江集結44艘軍艦、83艘汽艇、13艘客輪、數百條木船，溯江而上，配以飛機掩護，海陸空聯合，猛攻安慶。楊森部因兵力分散，苦戰兩晝夜，遂被攻陷，第一道防線被突破。日軍以合肥、安慶為據點，出兵西攻。
日軍佔領安慶、潛山，下一步進攻第二道防線的重要據點馬當要塞。第九戰區在馬當置有6個師的重兵，第三戰區也以重兵呼應，並在長江布雷。日軍一邊派兵掃雷，一邊集幾十艘軍艦徐徐西進，對沿江兩岸施以猛烈火力攻擊，自東流起隨處登陸。日軍越過東流，以上百架飛機轟炸、掃射，掩護軍艦沖擊，馬當告急。
第九戰區長官部急令167師師長薛蔚英率部增援馬當。167師駐馬當西不遠的彭澤，薛蔚英行動遲緩，貽誤了戰機，結果日艦隊從江中的島北邊繞過，繞到馬當要塞的背後，施以猛烈炮轟，一時間馬當要塞炮火彌天，日軍借炮火掩護，蜂涌登陸。馬當守軍炮位不佳，發炮時對日艦威脅不大，守軍不敵，援兵未到，26日馬當失陷。
馬當失陷，蔣介石震怒。最高統帥部認為，薛蔚英師若能及時增援，馬當當為無虞。蔣介石便下令逮捕薛蔚英，處以死刑，並將167師解散。
日軍佔領馬當以後，猛力西進。中國軍隊以重兵阻擊，日死戰，以5天時間攻克彭澤。佔彭澤以後，便集重兵向湖口猛進。湖口是鄱陽湖通長江的咽喉，進攻3天，于7月4日攻陷湖口。
7月13日，蔣介石調整部署，重新劃分戰區，下令長江以北屬五戰區，長江以南及武漢屬九戰區，並向全軍發表訓令，號召全軍奮起打擊日軍的狂妄氣焰，保衛武漢。
是時，潛山、太湖、宿松、黃梅已失，日軍豕突猛進。中國軍隊利用有利地形，增加援兵，于8月底克復潛、太、宿各地，截斷日軍之後方，斃敵甚多。
日軍從湖口出兵九江。中國軍隊重兵布防，中日兩軍都是海陸空三軍齊出，江上、天上、地上處處槍炮隆隆。日軍原計劃5天左右拿下九江，結果打了22天，付出重大代價，才攻佔九江。
日軍變更聯絡線于江岸，且于黃梅集有步兵約2師團，炮兵4個聯隊，戰車七八十輛，並在九江北岸的小池口築有機場，停機七八十架，于9月1日，分3路進犯。
中國守軍劉汝明部、覃連芳部、王纘部死守廣濟，與日軍激戰數日。日軍前進不得，便施放毒氣數十次。廣濟為一盆地，易中毒氣，守軍遂移到廣濟以西之界嶺南北之線阻擊敵人。日軍佔廣濟後，又並力攻打田家鎮要塞。
田家鎮在九江與黃石之間，中國守軍在此設有堅固防御。日軍以海陸空3軍齊上，每日以飛機投彈千枚以上，炮擊500余次，田家鎮堅如磐石。日軍不顧國際法竟使用毒氣，其毒氣一種是劇毒“紅劑”，化學成分為二苯氰胂；另一種是“特種煙”，比“紅劑”更具殺傷力。中國軍隊無防毒面具，亦無毒氣戰精神準備。毒氣一來，幾乎是坐以待斃。我兩營官兵，除2人外，均在陣地被毒死，尸橫遍野，慘不忍睹。
日寇在中國共使用毒氣375次，發射毒氣彈4萬發以上，其命中率達80％。日寇使用毒氣後，立即猛攻，並打掃戰揚，以不留痕跡。
田家鎮守軍與日軍鏖戰28個晝夜。張義純、蕭之楚、何知重軍，向日軍側背猛攻，形成夾擊殲敵之勢，但由于田家鎮南岸要塞失陷，日軍以另一部由水道登陸，猛襲北岸要塞之側背，9月28日，田家鎮失陷。
日軍在合肥集結5萬兵力，分3路向六安、霍山進犯，同于學忠、馮治安部激戰。這兩地不久失陷。
日軍又以13師團繼續南犯，與中國守軍在富金山激戰一周之久，富金山失陷。
日軍13師團及第10師團之瀨谷支隊打到河南商城。爾後日軍13師團和16師團向南轉進，在沙窩一帶，與孫連仲、宋希濂等部激戰30余日，日軍無法前進一步。
日軍第10師團及偽軍劉桂堂部，繼續西犯，同張自忠軍激戰于春附近。中國軍隊以眾寡懸殊，乃轉進于潢川，又與日軍激戰一周，而放棄潢川。日軍再進，與陳鼎勛軍激戰，再陷羅山，進至欄桿鋪，遭胡宗南部迎擊。日偽軍不敵，退入羅山城。日軍第3師團前來增援，胡宗南部傷亡過眾，乃漸向西撤退。10月12日放棄信陽。
韋雲淞、孫桐萱所部，扼守武勝關一帶，阻敵南進。最後，因武漢轉進計劃業已策定，所有第五戰區部隊，除留置有力之數部于大別山脈擔任游擊外，其余均陸續轉進平漢線以西。
在長江南岸，第九戰區部隊也是節節抵抗日軍進犯。九江失陷後，日軍第十一軍主力，在司令長官岡村寧次率領下，分兩路進攻。右路由第9、第27師團和波田支隊組成，主攻瑞昌、幕阜山，斷粵漢線，然後迂回武昌之南；左路由第101、第106師團組成，循南潯路挺進，直攻南昌，從而牽制第九戰區的第一兵團，掩護右路軍攻擊。
日軍波田支隊于8月10日由瑞昌東北之港口登陸，遭孫桐萱第三集團軍迎頭痛擊。雙方激戰，日軍不敵，急以第9、第27師團合擊，並配以幾十架飛機攻擊。第三集團軍死戰，雙方激戰14晝夜，日軍以重大代價攻佔瑞昌。
日軍佔瑞昌後，急于擴大戰果。張發奎第二兵團調第6、第75、第98軍迎敵，雙方相持不下。
8月20日，日軍第101師團配合海軍陸戰隊進攻星子，在星子同中國軍隊葉肇、王敬久、陳安市各軍激戰3個月。第101師團消耗殆盡。
9月1日，日軍第9師團一部，乘王陵基部部署未定，突破王部陣地，沿瑞德公路竄擾南潯路之馬回嶺，經黃維、俞濟時軍截擊，日軍南下德安之策遂失效。
日軍第27師團企圖攻下武寧，以威脅德安，先後在麒麟峰、張古山、萬家嶺一帶，經薛岳兵團各部狙擊，殲滅其迂回部隊4個聯隊。
日軍第9師團由瑞昌攻馬頭鎮、富池口要塞，經湯恩伯集團軍猛烈抵抗，消耗其半數，但在軍艦、炮兵及空軍援助下，並頻施毒氣，馬頭鎮、富池口先後失陷，湯部繼在富河南岸滯日軍西進。張發奎兵團在陽新、大冶及半壁山、黃顙口、石灰窯、黃石港一帶任江防、湖防之守備，屢予日軍以重創。最後陽新、大冶先後失陷。日軍繼而分3路進攻，企圖截斷粵漢線，圍攻武漢。
蔣介石指揮武漢會戰，遠非所願，雖節節抵抗，但節節敗退。
日寇為了策應武漢會戰，並謀切斷中國同國際的聯絡起見，日本大本營御前會議做出攻佔廣州的決定，隨即抽調第5、第18、第104師團，以及第4飛行團為基干組成第二十一軍，與海軍第5艦隊協同，以主力在大亞灣海岸，一部在珠江沿岸登陸，攻取廣州。1938年10月上旬，第二十一軍部隊相繼到達台灣海峽、澎湖島集結。
10月11日黃昏，日軍約4萬人乘幾十艘軍艦，在100余架飛機的掩護下，突入南海大亞灣口，強行登陸。
是時，中國軍隊主力北調，廣東方面駐軍為余漢謀的第十二集團軍，所部尚有8個師，一個獨立旅和其他部隊，共約10萬余人，但余漢謀事前忙于同日軍苟合，親自到香港圖謀與日聯絡，沒做任何防衛，日軍驟然進攻，他慌了手腳，一邊罵娘，一邊倉促阻擊，但因兵力分散，戒備松弛，尤其是大亞灣地區防御力量極為薄弱。10月12日凌晨，日軍幾乎未受抵抗，即于大亞灣登陸。
是日，蔣介石電令余漢謀從中山、瓊崖、花縣等地調兵，保衛廣州。日軍登陸後，連續攻陷淡水，稔山、惠陽，爾後主力沿廣州惠陽公路進攻，相繼佔領博羅、增城和從化，一部沿樟木頭至東莞公路進攻。日軍在惠陽縣飛鵝嶺四出劫掠，強奸婦女；沿途拉得民夫，到廣州後槍殺。日軍在淡水一帶擄獲婦女600余人，每日輪奸，稍不遂意，即遭槍殺。
10月17日，廣州各界人民7萬多人舉行游行，決心保衛廣州。蔣介石從第九戰區抽調第64、第66軍馳援廣東，以遲滯日軍前進，但援軍未到達戰場，余漢謀奉命放棄廣州。
日軍由從化、東莞進佔廣州。另一路日軍由珠江口溯江而上，並先後佔領中山、順德、佛山、三水及深圳等地，又向廣州方向突進，佔領虎門要塞。日軍控制了廣州及珠江三角洲主要地區。
日寇進入廣州後，就在西堤大馬路迄十三行、漢民路、惠愛路一帶縱火焚燒。偌大一個廣州城市，市內大火3晝夜不熄，市街被焚40余條。財產損失不可數計，實是廣州有史以來未有的浩劫。日軍在縱火之前，沿街擄掠貨物，各大商店和公司被劫一空。日軍將沙基平民住宅焚毀，並在市內構築工事，在黃花岡附近日兵槍殺外僑，陳尸路旁，無人過問。
對余漢謀不戰而輕棄廣州，中外各界人士反應強烈。國民黨文武官員，尤其是廣東籍官員，聞此噩耗，無不傷心落淚。在軍委會會議上，不少人向蔣介石提出一連串問題，要求查辦不戰而退的將領。蔣介石無言回答，一籌莫展，只是籠統地說，對失職人員一定查辦不怠。但此話也只是說說而已。
廣州失陷後，粵漢鐵路即被切斷，加之平漢鐵路被切斷。蔣介石在日記中寫道︰“此時武漢地位已失重要性，如勉強保持，則最後必失，不如決心自動放棄，保全若干力量，以為持久抗戰與最後勝利之根基。”
10月25日，日軍開始進攻葛店，武漢附近發生激戰。蔣介石急忙離開武漢飛往湖南衡陽北面的南岳。蔣氏下令放棄武漢，他在命令中說︰“將凡有可能被敵軍利用之虞的設施均予破壞。”這樣，武漢燃燒了兩天。
10月31日，蔣介石發表《為國軍退出武漢告全國國民書》︰“保衛武漢之軍事，其主要意義原于阻滯敵軍西進，消耗敵軍實力，準備後方交通，運輸必要武器、遷移我東南與中部之工業，以進行西南之建設。今者我中部及東南之人力物力多已移植于西部諸省，西部之開發與交通建設，已達初步基礎。故我守衛武漢之任務已畢，目的已達。且抗戰軍事勝負之關鍵，不在武漢一地得失，而在保持我繼續抗戰持久之力量。自今伊始，必須更哀戚，更堅忍，更踏實，更刻苦，更勇猛奮進以致力于全面之戰爭與抗戰根據地之充實，而造成最後之勝利。”
武漢會戰，從6月12日到10月27日，共約4個半月，大小戰斗數百次，日軍出動12個師團計40萬人。中國軍隊調動了130個師，計100多萬人。雙方在皖、豫、鄂、贛4省，縱橫數百公里的遼闊的華中大地展開大規模會戰。日軍公布其傷亡3萬余人，國民黨官方公布，日軍死傷20多萬人，即佔參戰兵力的1A2。日軍損失軍艦90艘，飛機80余架。中國軍隊犧牲人數約40萬人。
武漢失陷後，國民政府軍政部門遷到長沙。蔣介石夫婦在10月25日去了衡山，覺得不但交通不便，而且設備也差，于是前來長沙，先在城外何鍵家里安頓下來。何鍵曾是不可一世的人物，如今卻皈依吾佛。蔣見何鍵不是談話對手，忙要人把唐生智找來。
唐生智自南京淪陷後，脫險回長沙，但一想起南京陷落和日寇在南京的大屠殺，便心驚膽顫。听蔣介石喚他，便硬著頭皮來見。寒暄一陣，蔣劈頭問道︰
“根據你守南京的經驗，你看這個仗，還能打得下去麼？”
唐生智也是位很了解蔣介石的人，蔣介石的話一听便明白，他不想打下去了，又不想明說，要別人先為他說出來，唐生智道︰
“拿目前情形看，我們是處下風，但望前看，日軍也沒有什麼了不起。南京失陷，並非在敵善戰方面，……”唐生智本想接下直言批評這位蔣總裁，但又改口道︰“只怪我孟瀟指揮無方，城里有那麼多軍隊，反而棄城而逃。”
蔣介石聞言甚為尷尬，苦笑道︰“過去的事不提了，我們還是談談今後該怎麼辦吧！”
“委座，中國是不會亡的，只要我們堅持下去，會取得最後勝利的！”
兩人正在談論之際，只見馮玉祥滿身灰塵大踏步進來。原來李烈鈞于10月26日在桂林找到馮玉祥說︰武漢失守了，你趕快去找老蔣，對他說無論如何萬萬不能投降！馮遂驅車去衡山，又從衡山來到長沙。
