團軍和防衛武漢附近的第34集團軍的統一指揮，8月26日，新設立了第6方面軍，由岡村寧次任司令官，並將司令部置於衡陽，隨即開始集結部隊，儲運物資。日軍以其第11集團軍（轄第3、第13、第50、第58師等部），約10餘萬人，集中於湘桂路沿線及其以南地區。以其第23集團軍於江西方面，集結第104師、第22師及獨立第22旅等部，約3萬餘人，另於雷州半島方面，集結獨立第23旅4000人，準備以分進合擊，向桂、柳地區發動進攻。日軍第11集團軍作戰設想是：按照戰備進展情況，儘早開始進攻，先以速戰攻下桂林，再向柳州方面挺進，與第23集團軍策應，圍殲敵軍於柳州附近。
中國第4戰區以第16、第27、第35集團軍共9個軍擔任桂柳等地區的守備，並策定在湘桂鐵路方面遲滯日軍之進攻，在西江方面先採取攻勢，各個擊破進攻之日軍。因日軍主力使用於湘桂路方面，第4戰區乃決定以湘桂路方面為防禦重點，阻擊日軍推進。先以李玉堂兵團第62、第79軍等部於湘桂正面，遲滯日軍行動，並以前來增援之第53軍向全縣推進。以第27集團軍取道湘南，側面阻擊日軍前進。以第35集團軍迎擊西江方面之日軍。桂南方面由地方團隊擔任守備，另以第31等軍，於桂柳附近，構築工事，準備固守。
9月上旬，在日軍第6方面軍指揮下，第11、第23集團軍分別從湖南、廣東向廣西桂、柳地區發動進攻。日軍第11集團軍以第3、第13、第37、第40、第58師等部隊沿湘桂鐵路及其兩側進犯，突破第93軍防禦陣地，9月11日佔領黃沙河，14日佔領廣西東北要地全縣，開啟了廣西的東北門戶。
中國守軍沿途已無險可守，日軍可直插桂林。接著，日軍連陷興安、灌陽，於10月底進至桂林以南之良豐、陽朔等地，對桂林側後構成包圍態勢。
自1944年8月22日至11月9日，中美空軍為支援中國地面部隊作戰，主要以桂林、柳州、昆明為基地。其出動1386架次，在空戰中擊落日機34架，擊傷10架，炸燬停在機場的飛機6架，炸燬車輛400餘輛，大小木船578艘，破壞陣地、車站、庫廠、指揮機構50餘處，橋樑11座。
9月下旬，日軍第23集團軍以第104、第22師及獨立第22旅由廣州附近之清遠、三水、佛山、江門及台山等地，沿西江及其兩側向西進犯，連陷懷集、肇慶、雲浮，德慶等地，9月24日佔領梧州。日軍第23軍另以獨立混成第23旅，由雷州半島廉江北犯，進佔陸靖、容縣，9月28日，與由西進之第104師佔領丹竹、平南，由東南方面對桂、柳形成攻擊之勢。此時，第4戰區調集第35集團軍之第64軍及桂綏第一縱隊，對桂平、蒙墟之日軍攻擊；以第27集團軍之第37軍（一個師）由蒙山向平南攻擊，予以策應。
10月20日，在空炮火力支援下，對桂平地區日軍獨立混成第23旅開始攻擊，突破其陣地，至28日，突入蒙墟街區，與日軍展開激戰。日軍為穩定其態勢，以第104師突破金田村掩護陣地，對攻擊部隊左翼構成威脅，反攻被迫停止。
11月4日，日軍第58、第40師對防守桂林的第31軍之第131師、第46軍之第170師等部陣地發動進攻。5日，日軍多次使用毒氣，攻擊城東郊七星巖陣地，守軍傷亡慘重。7日，日軍在炮、空、坦克支援下，由西、北、東三面攻城，突破城防陣地，守軍與日軍展開巷戰，至11日，守軍部分突圍，桂林失陷。
柳州是日軍攻擊的另一個重要目標。11月上旬，當桂林戰鬥正激烈之際，日軍第13師由良豐南下，4日佔領永福，並向柳州西北方面進逼。日軍第3師由恭城南犯平樂後，與第27集團軍之第20軍在荔浦附近激戰，並繼續向柳州東郊突進。日軍第104師突破東鄉第62軍的阻擊線後，進佔武宣、象州，向柳州南郊突進。中國第4戰區第27集團軍所屬第26軍擔任柳州城區防禦，第37軍擔任柳州南郊防禦，第20軍部署於西郊待機。
11月7日晚各部到達指定防禦地區。與此同時，日軍第13、第3、第104師先後進抵柳州北、東、南郊。11月9日，日軍由三面發起進攻，守軍經激烈戰鬥後，11月10日，奉命棄守柳州，向柳州以西山地轉移，繼續阻止日軍西進。
正當中國第4戰區部署第27、第16、第30集團軍，在宜山南北一線構築陣地以阻擊日軍進攻時，日軍第3、第13師由柳州西進，於11月15日奪佔宜山。22日，又突