台儿庄大捷并未能扼制日军的进攻，国民党政府为了保存有生力量，决定转移军队主力。1938年5月19日，徐州失陷。日军占领徐州后，立即沿陇海路西进，以打通津浦、陇海、平汉三条铁路的联系，造成进攻武汉的有利态势。国民党政府统帅部决定保卫武汉。
1938年7月下旬，侵华日军约25万人，分5路沿长江两岸和大别山北麓合进武汉。江北第五战区和江南第九战区及海、空军各一部约100万人组织防御，保卫武汉。武汉会战历时4个多月，战场延及安徽、河南、江西、湖北和湖南等数省，是抗战以来规模最大的一次战役。中国军队浴血奋战，消耗了日军有生力量（日军承认伤亡3万余人），迟滞了日军行动。10月下旬，日军从东、南、北三面合围武汉，25日中国守军被迫撤退，27日武汉沦陷。