在中国正面战场，由于日军在太平洋战场连遭惨败，便急欲在大陆打通一条交通线，即打通平汉线、奥汉线、湘挂线，从朝鲜的釜山经中国、越南、泰国、马来西亚到新加坡，贯通全部铁路。日本大本营几经磋商，决定以中国派遣军发动大攻势，攻占平汉铁路中段、奥汉铁路中段及湘桂铁路。
河南省属第一战区作战范围。平汉铁路纵贯河南南北。郑州北面原有平汉铁路黄河大铁桥，为阻止日军南渡黄河，1938年2月，中国军队将其炸毁。1938年6月9日，黄河花园口决堤，自此豫西、豫南中国军队北隔黄河、东隔新黄河泛区与日军对峙。1941年10月，日军华北方面军为策应驻武汉地区日军第11集团军进行第二次长沙作战，南渡黄河，在郑州西北郎山头上的霸王城附近建立桥头堡死守，中国军队未能将其拔除，以至遗患无穷，成为日军1944年打通平汉线的重要出发地。
日军华北方面军接受平汉作战任务后，积极备战，并充实巩固了郊山头桥头堡。特别是日军关东军运来架桥材料，不惜一切代价抢修黄河铁桥，黄河铁桥中断6年之后于1944年3月25日修复。
日军华北方面军以第12集团军（司令官内山英太郎中将）为平汉作战的主力，考虑到第12集团军司令部缺少指挥大规模进攻作战的经验，因此决定由方面军司令部亲自指挥。
4月18日凌晨，东面日军第37师、独立混成第7旅由中牟渡河，经河防部队猛烈阻击，至19日，突破第28集团军暂编第15军阵地后，分别向尉氏、清川、新郑、郑州等地突进，其主力指向密县，与第28集团军第85军展开战斗。
19日晨，北面日军第12集团军主力第62、第110师、独立步兵第9旅，由黄河铁桥跨过黄河，继由邓山头向第85军进攻，21日突破河防阵地，分别攻占广武、汜水，22日攻占荥阳，并以一部协同由中牟西犯之敌会攻密县。密县守军第85军第23师从4月19～23日夜，血战5昼夜，给日军沉重打击，尔后撤至密县西南。
日军第二线兵团（第27师、骑兵第4旅、坦克第3师）于4月20日夜开始通过黄河铁桥，集结于黄河南岸。中美空军多次轰炸黄河铁桥，但未能将其摧毁。
4月26日起，中国第一战区副司令长官汤恩伯率部向敌反攻。暂编第23旅袭占尉氏，第13、第29两军攻击密县日军第110师，马驹岭失而复得。密县是日军向西迂回的重要屏障，日军拚死抵抗，汤兵团久攻不下，乃以第13军监视密县。
4月28日，日军开始第二阶段作战，主力由新郑东西一线分途南下。5月1日，日军攻占许昌，许昌守军新29师师长公方良中将牺牲。同日上午8时30分，日军第12集团军下令主力立即由许昌附近西进（原计划由许昌以南的邱城西进），围歼中国第13军；一部南下打通平汉线。日军于5月8日打通了平汉线。
5月1日夜，日军大举西进。3日攻占禹县、郊县，4日攻占襄城、临汝、大安，完成了对汤恩伯兵团的包围，奉命在郊县—临汝。大安一线堵击中国军队的日军坦克第3师，企图占领洛阳，5月4日下午，以师主力向洛阳以南的龙门进攻，致使日军包围圈出现漏洞，汤恩伯兵团乘机冲出重围。
日军坦克第3师进攻龙门，洛阳吃紧。蒋鼎文调兵遣将，巩固龙门、洛阳，并令汤兵团的第13、第85军配合尾击夹击敌人。
还在5月3日，蒋鼎文就命令第14军以第94师守洛阳，主力在洛阳以南龙门-伊川一线布防。4日中午，蒋鼎文又命令第14军（欠第94师）、第4军（欠第47师），归第14集团军副总司令刘勘统一指挥（后称刘勘兵团），阻敌北犯龙门。7日，蒋鼎文率长官部撤出洛阳，将洛阳守城任务交第15军军长武庭鳞指挥的第15军第94师担任。蒋介石鉴于汤恩伯兵团溃败，担心第1战区彻底崩溃，于5月8日严令死守战区中心洛阳10～15天。
为围歼洛阳地区守军，日军华北方面军将第63师第67旅（5月上旬刚由北京赶到郑州）、独立步兵第9旅、第12集团军野战补充队组成菊兵团，由第63师师长野副昌德指挥，由郑州沿陇海铁路西进，任务是穿插至洛阳以西，封锁洛阳；以驻山西的日军第1集团军的12个步兵营为基干组成天兵团，由第69师师长三浦忠次郎指挥，5月9日晚上由垣曲、白狼、河堤南渡黄河，继而在新安以西切断陇海铁路。5月13日，洛阳守军陷于重围。
洛阳城防战斗始于5月9日，第15军和第14军第94师殊死血战，予日军重大杀伤。5月24日晨，日军空投劝降书，广播喊话，限守军于5月24日中午12时投降，否则立即攻城。守军抱定死战决心，不加理睬。5月24日中午12时，日军开始总攻。
日军飞机27架、大炮100余门，首先向洛阳老城狂轰乱炸，环城工事均被摧毁，兵员武器大部分同归于尽。下午3时，日军坦克40余辆由东北、西北城角突入。至下午5时，侵入日军万余人，坦克50余辆，驱驰街巷，无法遏止，守军指挥联络全部隔断，全城陷入混战。黄昏后，武庭徽以弹尽粮绝，无力再战，不得已作紧急处置，命令各部队取捷径夺路突围。晚上，守军由洛阳东南角突出重围。守城期间，军官伤亡530人，士兵伤亡1.3万余人。
洛阳守军孤军奋战16昼夜，牵制日军大量兵力，为战区其他部队后撤创造了条件。
第1战区第4、第36、第39集团军、刘勘兵团，5月18日由渑池以南小镇翟涯向豫西伏牛山区后撤时，第36集团军总司令李家钰主动率本部人马断后，21日遭日军伏击，李家钰当场阵亡。
日军攻占洛阳后，平汉作战大体结束。5月28日，解散菊兵团，第63师部队返回北京。5月底～6月初，日军中国派遣军命令第37师、坦克第3师赶赴武汉地区，参加正在进行的湘桂作战。
就在日军攻占洛阳的同一天，即1944年5月25日，日军中国派遣军总司令官烟俊六上将，按计划将前进司令部移到汉口，指导湘桂会战。这时，日军第11集团军（司令官横山勇中将）各部也在岳阳附近集结完毕。日军计划首先以第11集团军夺取长沙、衡阳，为进攻桂林、柳州做好准备。中国称这一时期的作战为长衡会战。
5月27日，日军第11集团军在100多公里的正面上发动攻势，进展迅速，6月18日攻占长沙，并向衡阳进犯。中国第9战区预定在渌水、涟水以北地区与日军决战的计划被迫放弃。
为了阻止日军深入，保卫衡阳，中国国民政府军事委员会在6月20日命令第9战区以一部在原口、衡山之间持久抵抗，主力由陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东，夹击深入之敌而歼灭之；以第10军固守衡阳；从第7战区开来的第62军仍归军事委员会直辖，控制在衡阳西南地区待命。
第9战区在正面兵力配置薄弱，加之日军来势凶猛，避实击虚，钻隙突进，往往以便衣队为前驱，少者十余人，多者百余人，随处扰袭，使中国军队处处顾虑。到6月23日，日军进抵衡阳近郊，并东犯攸县，西陷湘乡，牵制第9战区外围部队，衡阳守军从此陷于包围。
此时衡阳守军是第10军（军长方先觉）和第54师一部，共约1.8万人。
6月28日拂晓，日军第68、第116师、第58师志摩支队对衡阳发动第一次总攻。守军第10军士气高昂，防御异常坚固，且炮火占优势，打退了日军一次又一次冲锋。上午9时30分左右，第10军迫击炮击中日军第68师指挥所，日军第68师师长佐久间为人及该师参谋长、主任参谋等均负重伤。7月2日，日军第11集团军被迫下令暂停攻击衡阳。
日军第二次总攻前，为破坏守军的生存条件，从7月3日～6日，日军飞机向衡阳投下大量的燃烧弹，衡阳城大火熊熊，一片火海。在衡阳红十字医院的千余名重伤员来不及迁走，不幸罹难。第10军屯集的粮弹，也被焚毁不少，所幸大米、食盐埋在地下，得以保存。7月10日前后，日军赶运大炮、弹药的任务及航空兵部队的准备大体完成。日军第68师新任师长堤三村男中将也于7月11日到任。7月11日，日军将重点指向衡阳西南，发起第二次总攻。日军占领了一些前沿阵地，但怎么也攻不下衡阳西南的岳屏山，随后陷入僵局。日军第58师志摩支队支队长志摩源吉少将又被迫击炮击毙。中国军队前来解围的第62军逼近衡阳城南郊。至此，日军不得不在7月20日结束第二次衡阳攻坚战。
7月11日，日军发动衡阳第二次总攻时，第10军告急。7月12日，军事委员会命令第27集团军副总司令李玉堂率第62军，立即由衡阳西南迅速猛攻敌背，希望一鼓作气歼灭围攻衡阳之敌；第79军应协同第62军向衡阳西北郊猛攻，并以第100军第63师由北向南攻击永丰方面之敌，策应作战。
第62军奉令后，前锋立即由洪桥沿湘桂铁路正面展开攻击，主力由祁阳东北白地市跟进。在白鹤铺，日军用枕木构成坚固阵地，拼命死守。第62军军长黄涛感到相持下去，耽误时间，便以1个团监视白鹤铺之敌，主力绕过白鹤铺从湘桂铁路南面攻击前进。7月15日，第62军进至六塘东南，19日乘隙渗透到衡阳西南郊，一部直抵衡阳城南黄茶岭，与衡山守军隔山相望。第10军派部队出来接应，途中遭日军截击，牺牲重大，双方未能联系上。
日机轰炸坚守衡阳的中国守军阵地由西北面前来解围的第79军当面敌情严重，进展较缓。第62军进抵城郊时，第79军尚在蒸水以北，第62军腹背受敌，伤亡重大，补给中断，22日撤至铁关铺以南地区。第62军第151师副师长余子武在解围战斗中阵亡。待第79军一部于7月下旬渡过蒸水进抵衡阳西北郊时，日军得以调集优势兵力反扑。
这次解围，由于2个军步调不一，被日军各个击破。
此时衡阳守军已在优势之敌围攻下，苦战1个多月。7月27日，军事委员会确定增调兵力，再次向围攻衡阳之敌反击，从第4战区调来第46军，并调来坦克部队，配合第62、第79、第100军再次解围。
日军为第三次总攻衡阳，其第5航空集团军从8月2日起，不分昼夜地对衡阳狂轰滥炸；日军轻重火炮百余门从8月3日下午起，也夜以继日地作地毯式炮击，一部分野山炮更推进至第10军阵地前百米以内，直接射击侧防阵地。8月4日拂晓，日军近5个师（第13、第58、第68、第116师全部、第34师针支队，日军1个师兵力约1.2万人），在横山勇亲自指挥下，从四面八方对衡阳城发动第三次总攻。
从6月23日到8月3日，第10军已被围攻42天，预10师伤亡达90%以上，第3师伤亡70%以上，第190师尚存官兵约400人；军直属队中除辎重团尚存官兵约500人外，其搜索、特务、工兵、炮兵等营尚存不足1/3；全军步兵团级军官伤亡殆尽。第3师第8团争夺城南五桂岭，半天之内曾连续晋升5个营长，均先后壮烈殉职，就是这样守住了五桂岭。在夏日炎炎，遍地积尸，满城恶臭，群蝇乱飞的环境中，官兵们日复一日地默默坚守着。
日军第三次总攻中，不顾一切实施波浪式的自杀式的冲锋，其攻势之猛、兵力之大、火力之强、持续时间之久，为开战以来所少有。第10军以手榴弹和刺刀浴血死战，寸土必争，将一波又一波日军消灭在阵地前。
8月6日凌晨3时，衡阳城西北演武坪一度被日军突破，日军50多人窜入城内。这是日军首次窜入城内。8月7日拂晓，日军第58师500多人突破城西北青山街（演武坪以南），守军营长、团长（鞠震衰）相继阵亡，突破口越来越大，双方在城西北展开巷战，其余各阵地同时遭强大敌人围攻。
8月8日拂晓，方先觉率领参谋长、4个师长到城南欧家时町主教堂日军第68师司令部投降。第10军不愿投降的官兵继续抵抗，直至流尽最后一滴血。
第10军在衡阳保卫战中，孤城喋血47昼夜，伤亡达1.5万余人，其中阵亡达6000余人。日本投降后，曾指挥衡阳解围的李玉堂在长沙受降，特意集合日军高级将领询问他们进攻衡阳城时伤亡多少人，日军将领一致承认伤亡达4.8万余人。
日军第11集团军攻占衡阳后，8月下旬，沿湘桂铁路向西追击。9月13日晚占领广西省北部门户全县，准备进攻桂林、柳州。
8月26日，日军大本营下令组建第6方面军，以冈村宁茨为司令官，下辖第11、第23、第34集团军。
9月9日，日军第23集团军第104、第22师、独立混成第22、第23旅，在集团军司令官田中久一中将指挥下，分别由广东省清远、江门、新会、开平、台山、雷州半岛北部的遂溪出动，进犯广西，9月22日攻占梧州，28日占领平南、丹竹。10月11日，日军独立混成第23旅占领桂平以及桂平南面的蒙圩。
第4战区司令长官张发奎判断，日军有由桂平继续向武宣、来宾直趋柳州，以钳桂林、柳州守军侧背的企图。如果日军越过武宣、来宾，其危害程度立刻可以波及柳州和黔桂铁路后方的安全。于是，张发奎放弃在荔浦作战的计划，决心将机动部队第46、第64军由荔浦转用于桂平方面，首先击破桂平之敌，以排除柳州侧背的威胁。
10月21日，桂平战斗开始。中美空军经常保持飞机50架以上支援桂平作战。空军炸毁了日军独立混成第23旅的通讯设施，使其与集团军司令部通讯中断将近1周之久。10月27日，第64军摧毁了蒙圩等日军外围据点，继续向桂平城扩张战果。日军独立混成第23旅伤亡十分惨重，弹药告罄，造竹枪准备突围。可正在这时，桂林方面的战况对中国军队极度不利，桂林外围阵地被日军突破，日军已到达桂林东郊、平乐，阳朔及桂林南面的永福附近，柳州受到直接威胁。同时，桂平方面，日军第104、第22师赶来救援，严重威胁攻击部队左翼。据此，张发奎不得不于28日下令停止攻击，第46军掩护第64军向柳州转移。
桂平反击战完全出乎日军预料之外，打乱了日军第23集团军进攻柳州的兵力部署，推迟了它向柳州推进的时间，使第4战区部队后来得以顺利从柳州撤退。
10月26日，日军第6方面军命令第11集团军对桂林发起攻势。
漓江由南向北流过桂林市东部。桂林城防司令韦云微、第31军军长贺维珍，以第31军第131师防守桂林城北部及其附近要点，该师并以第391团组成独立守备队，防守漓江东岸七星岩等要点；以第46军之第170师防守桂林城南部及其附近各要点。守军总兵力约1.7～1.8万人。
10月28日，日军第11集团军由北、东、南三面，分路进攻，先将桂林外固守军向西压迫，使桂林守军陷入孤立。29日起，日军对桂林城四郊全面实施进攻。桂林北面悬崖绝壁，无法攀登；西边叠岭重山，难于攻占；南面地形虽不及西北两面，但阵地构筑巧妙。日军攻了几天，徒受重大损伤，守军阵地岿然未动。漓江东岸，独立守备队隔江孤立，较易攻击，于是日军决定以主力占领东岸，再渡河攻击。
11月4～5日，日军使用窒息性毒气猛攻东岸七星岩阵地，守军第131师第391团800余名官兵，在七星岩石洞内被毒死，阵地被日军占领。6日，日军利用七星岩作为观测所，整天炮击桂林市区，引起火灾，市内房屋焚毁殆尽。7日，日军由定桂门、中正桥、马王洲三处强渡漓江。定桂门方面，守军火力猛烈，日军渡河失败。8日，由中正桥、马王洲强渡漓江之敌，夺取中正桥桥头堡3座。9日，第170师抽调班长组成突击队，将桥头堡夺回。10日下午，韦云淤召开紧急会议，决定由西南角突围。11日，桂林失陷。
日军第11集团军进攻桂林的同时，违背方面军的作战计划，命令第3、第13师向柳州进攻。
柳州城原由第62军防守，桂平反击战受挫后，该军调武宣、来宾以南阻击日军，乃临时以第26军（军长丁治磐）守柳州。第26军先头部队11月6日到达柳州，11月7日全部到达。柳州外围由第35集团军、第27集团军、第16集团军各一部防守，第46军为总预备队，控制于柳州西侧。
11月4日，桂、柳之间的永福被日军第11集团军突破。11月6日，日军第23集团军也进抵柳州外围，在红水河、柳江及柳州、柳城几个方向全线展开激战。张发奎决定放弃柳州，11月7日，他命令开始破坏柳州的机场和柳州附近的铁道。11月11日，柳州、桂林同时失陷。
11月27日，日军第3师占领黔桂交界处的黎明关，闯进贵州省。12月2日上午10时30分，日军攻占独山。这时，由第1、第8战区调来的第29、第98、第9、第57军赶到战场，在汤恩伯指挥下，向日军反击，12月8日中午攻克独山，陆续将日军逐出贵州省。12日攻占南丹，13日攻占车河，尔后与日军在河池对峙，日军死守河池。
日军第11集团军向贵州追击时，日军第23集团军南下，11月21日攻占宾阳，24日攻占南宁。此时，日军驻越南的第21师北上，12月2日攻占龙州，10日，与由南宁南下的日军第23集团军在绥禄会合。至此，日军完全打通与南方军联系的陆上交通线。
到1945年1月26日，驻广州日军第23集团军与驻衡阳日军第20集团军相配合，南北对进，打通了粤汉铁路。2月7日，占领并炸毁了江西省遂川、赣州的中美空军机场。至此，日军完成了一号作战任务，攻占了预计攻占的所有目标。