平汉线第一期作战
日寇占领平津后，即以主力巩固平津地区，另一部兵力展开于平津以南的长辛店至独流镇一线，等待日本国内援军到达后，再向华北内地进攻。
1937年8月31日，日本陆军参谋部决定成立华北方面军，下辖2个军8个师团、1个航空兵团及关东军派遣兵团之4个旅团，共计37万人，司令官寺内寿一。
8月12日，国民政府召开最高国防会议，并颁布《战争指导方案》和《作战指导计划》，将晋绥察划为第二战区，任命阎锡山为第二战区司令。此前的军事会议，国民政府已将津浦路北段划为第一战区，并由蒋介石亲自担任总司令，两个战区共6个集团军60万人。
1937年8月22日，根据国共双方达成协议，军事委员会宣布将中国红军主力改编为第8路军，朱德任总指挥、副总指挥彭德怀，全军下辖第115师、第120师和第129师，兵力4.6万人。9月11日，又将第八路军改称国民革命军第18集团军，朱德改任总司令、副总司令彭德怀。同年10月，中·共领导的南方8省游击队改编为国民革命军新编第4军（新四军），次年1月6日，叶挺任军长。至此，中·共军队为适应抗战需要完成改编，从此踏上抗日战场。
1037年8月9日，日寇陆军参谋部制定实施察哈尔作战，8月14日，组建察哈尔派遣兵团，下辖独立第1、第2、第15混成旅，另有2个支队和第二航空团，任命日本关东军参谋长东条英机为司令官。8月17日，日本关东军在张北地区集结。
8月上旬，中国统帅部任命傅作义为第7集团军司令，率部加强南口和张家口地区的防御。
日寇在尚未完成集结时，于8月11日向南口发起攻击，中国守军第89师经过顽强抵抗，于13日退守居庸关长城一线。同日，蒋介石令第14集团军（卫立煌部）由石家庄驰援南口。至19日，双方在南口战斗达到白热化程度。23日，国军撤退。27日，张家口沦陷。
9月6日，日寇华北方面军第5师团分三路向南推进，攻占蔚县、广灵，先头部队到达浑源。与此同时，关东军察哈尔兵团继续沿平绥线进攻，至24日，先后攻克天镇、大同、丰镇和集宁等要点。
9月4日，华北方面军制定《华北会战指导方案》，由第1军担任平汉线作战，第2军负责津浦路作战。9月14日，日寇华北方面军第1军从北平出发，分三路向平汉路进犯。24日，保定沦陷。
同时，日寇第2军沿津浦路进攻。10月1日，日寇第1军向石家庄进攻，6日，攻占正定，10日，日寇第14师团强渡滹（hū）沱河，攻占石家庄。11日占领井陉，切断正太铁路线。此时，国军因太原、淞沪战事吃紧，令部分兵力调离，日寇乘虚而入，于15日攻占邢台，17日攻陷邯郸。
此时，八路军完成整编，于8月下旬至9月下旬从陕西三原和泾阳地区出发，奔赴华北抗日前线。9月25日，第115师于平型关设伏，歼敌第5师团第21旅团一部1000余人。次日，蒋介石至贺电：“二十五日一战，歼敌如麻，足证官兵用命，深堪嘉慰。尚希益励所部，继续努力”。至此，华北平汉线第一期作战结束，由于华北平原无险可守，日寇得以长驱直入，兵锋已经指向山东、冀南地区。
太原会战
10月初，在平汉铁路和津浦铁路激战正酣之时，日寇开始向山西进攻。11日占领原平后，企图一举攻占忻口，并直趋太原。中国军队则提前完成防御准备，由卫立煌统一指挥本部第14集团军、傅作义指挥的第7集团军及中央军3个兵团，于10月12日在忻口以北展开。战至11月1日，国军伤亡三分之二，但阵地没有丢失。
与此同时，日寇第20师团进攻晋东，26日，娘子关失守。11月2日逼近太原，第2战区司令阎锡山下令忻口守军放弃忻口回救太原。11月6日，日寇进攻太原，第7集团军总司令傅作义率第35军另2个旅据城而守，9日太原沦陷。
日寇攻占太原后，第5师团进至清徐，停止追击；第20师团进至平遥后停止进攻；第109师团在太原东南榆次集结。11月12日，第5师团调至保定、石家庄一带修整，关东军部队归还建制。
绥远作战
1937年10月，太原会战时，第2战区司令阎锡山将兵力全部投入到忻口和晋东地区作战，而同属于第2战区辖区的绥远已经无暇顾及。此时绥远省仅有新编第5旅、第6旅和骑兵第6、第7师守备，兵力异常空虚。10月20日，日寇关东军独立第11旅团改编为第20师团，并由伪蒙9个师和飞行团配合，向绥远发动进攻。
9月底，日寇先期已经占领绥远北部的陶琳、百灵庙，并沿绥北铁路西进，10月6日，晋绥军骑兵第6旅与日寇在旗下营地区对峙。10日，日寇占领凉城，12日攻占归绥（呼和浩特），17日占领包头，21日占领固阳。至此，绥远省大部分沦陷。
冀南地区作战
1937年10月17日，邯郸失陷后，在平汉线上，第一战区部队已经败退至平汉、津浦铁路之间，漳河以南地区。10月25日，蒋介石令第1战区部队向石家庄、娘子关方向反攻，以解娘子关地区守军之危。此时位于冀南地区的日寇有第1军的第14、第108两个师团，且已经获悉国军反攻的情报，于11月3日做好了部署。
11月2日，国军骑兵第3军、第77军、第68军开始行动，其中第77军28旅攻入成安，与日寇展开巷战，先入城的682团一个营面对城内日寇优势兵力全数牺牲。11月7日，日寇反攻，国军各部力战不支，被迫后撤。11月4日安阳失守，中日双方于12月在豫北淇河两岸及道口地区形成对峙。
津浦线作战
1937年10月12日，日寇沿津浦路进攻山东，平原失守。国军第3集团军司令韩复榘（山东省主席）奉命阻敌南进。因第1战区部队第1集团军（宋哲元部）、第40军（庞炳勋部）和第3集团军（韩复榘部）均为西北军出身，彼此之间有很深的历史积怨，且韩始终对国民政府抱有疑虑，因此，对于国民政府数次要求其主动出击的命令，韩均予以推脱。10月18日，日寇主力调往平汉线，军事委员会令第3集团军向津浦路和平汉线之间出击，以策应第1集团军作战，韩未遵令。11月8日，日寇向鲁北要的临邑发动进攻，国军第29师（曹福林部）与日寇激战。13日，第29师奉命后撤，临邑失守。14日，鲁北另一重镇禹城亦告沦陷，第3集团军退往黄河以南。
12月23日，日寇第10师团渡过黄河，韩复榘不战而退，日寇进展迅速，26日，济南沦陷。1月6日，第5战区司令李宗仁令第3集团军坚守梁济运河一线，韩仍未遵守命令，率部南撤至成武、曹县。1938年1月10日，日寇海军陆战队未受任何抵抗占领青岛。1月24日，军事委员会撤去韩复榘各项职务，被军事法庭审理后枪决。
日寇在平津、河北、山西、淞沪和山东取得一系列胜利，特别是占领国民政府首都南京后，按照既定策略，不断向国民政府施压，企图迫使国民政府屈服。1938年1月16日，日本发表“帝国政府今后不以国民政府为对手”的声明，以此来威胁国民政府。
此前，在1937年11月22日，在张家口成立伪“蒙疆联合委员会”；1937年12月14日，在北平成立伪中华民国临时政府，由汉奸王克敏出任行政委员会委员长。
在国际上，英国、美国和法国虽然谴责日本的侵略行为，但对中日双方的战争均持观望态度。苏联出于自身远东安全的考虑，则向国民政府提供大量军事援助，希望中国能够束缚住日寇的手脚，不能向其远东地区采取军事行动。仅1937年底至1938年2月，苏联向中国提供了200架作战飞机和20个步兵师的武器弹药，以及中国急需的重型武器，并派遣苏联支援飞行员和军事顾问来华支援抗战，其中就包括后来在斯大林格勒战役中表现优异的崔可夫将军，也包括在柳班战役中被俘投降的弗拉索夫。
在华中，1938年3月28日，日寇在南京策划成立“中华民国维新政府”，管辖江苏、浙江、安徽三省被日寇侵占的领土，汉奸梁鸿志出任伪政权“行政院长”。
1938年1月20日，日本陆军部战争指导科制定《昭和十三（1938）年以后战争指导计划大纲》，确立了日本未来的军事方针：“完成对苏联战争准备。运用政、战两略，迅速结束对华战争。在政略上，扶持“新政权”，诱导蒋介石政府悔悟，使其与‘新政权’合流；在外交上，加强与轴心国关系，保持同美国的‘亲密’关系；在军事上，预计用4年时间结束对华战争。同时，充实军备，将陆军规模扩大至60个正规师、30个临时师；空军组建250个飞行中队，一万架飞机，兵力总数扩大到600万人。”
1938年2月18日，日本陆军参谋部正式撤销华中方面军、上海派遣军和第10军战斗序列，组建华中派遣军，司令官畑俊六。3月30日，日本陆军参谋部重新调整华北方面军战斗序列，司令官仍为寺内寿一。
国民政府方面，1938年1月，蒋介石于汉口、开封、洛阳各地连续召开军事会议，在1月17日于洛阳与第2、第8战区团以上军官开会时指出：“胜利的基础在于有非常的精神和决心。”与此相适应，军事委员会调整全国军队战斗序列，将南北战场划分为6个战区，另立武汉卫戍总司令部。其中，平汉路方面为第1战区，司令长官程潜；山西方面为第2战区，司令长官阎锡山；苏浙方面为第3战区，司令长官顾祝同；两广方面为第4战区，司令长官何应钦；津浦路方面为第5战区，司令长官李宗仁；甘宁青方面为第8战区，司令长官由蒋介石兼任、朱绍良副之；武汉卫戍总司令部陈诚；西安行营主任蒋鼎文，福建绥靖公署主任陈仪。
1938年2月，全国总兵力经过补充，共有210个步兵师，又35个步兵旅、11个骑兵师、6个骑兵旅、18个炮兵团又8个独立炮兵营。此外，军事委员会颁发《作战惩罚办法》和《作战奖励办法》，对前段作战有功的郝梦龄等6名将领和抗战不力的韩复榘等41名将领，分别进行奖励和处罚。特别是对抗战不力的第3集团军总司令韩复榘、第61军军长李服膺等8人执行处决，以严明军纪，鼓励士气。
徐州会战
徐州位于黄河、淮河之间，津浦路、陇海路交汇处，有向四处用兵的交通条件。南京失守后，国民政府一部分迁往重庆，军事委员会等作战机构留守武汉，徐州成为保卫武汉的重要屏障和前进基地。日寇企图打通津浦路，威胁平汉路侧翼，为攻取武汉做准备，所以对徐州势在必得。
1938年2月，国民政府向第5战区调集60万部队，并重新调整部署。根据军事委员会“北攻南守”的作战方针，在北线以第3、第22、第2集团军共14个师展开于巨野、藤县、台儿庄一线，防御津浦路北段日寇的进攻；以1个师及海军陆战队部署于临沂附近，警戒青岛南下日寇。南线以第21、第11集团军和第51军分别布置于合肥、明光、蚌埠地区，担任津浦路南端的阻击任务。以第24、27集团军布置于苏北、巢湖地区，牵制南线日寇。此外，另有第20、27军团作为机动部队，布置于徐州外围。会战总指挥为第5战区司令长官李宗仁。
1938年初，日寇华中派遣军第13师团从滁县北上，试图打通津浦路，在蚌埠一线受阻。与此同时，华北方面军也从济南南下，准备攻占徐州，在临沂和台儿庄遇阻。
1938年2月12日，第5战区以北线第3集团军向蒙阴、泗水之日寇攻击，至3月上旬未能得手。1938年3月，日寇华北方面军第10师团开始从津浦路南下，第5师团从沂州南下。3月5日，日寇第5师团进至临沂以北地区。第5战区命令第59军张自忠部、第3军团庞炳勋部夹击日寇，日寇不敌遂回撤莒（jǚ）县。3月14日，日寇第10师团濑谷支队沿津浦路向第22集团军（孙震部）进攻，15日进至藤县，次日猛攻藤县。集团军令第122师（王铭章部）固守，经过3天激战，18日午藤县失守，该师驻守藤县部队除200多人突围外，师长王铭章及以下官兵全部壮烈殉国，第22集团军退至运河一线。
3月22日，濑谷支队拆分，一部组成沂州支队向东支援临沂，一部组成台儿庄特遣队按计划攻占台儿庄，以此打开徐州的东北大门，同时企图切断鲁南中国军队的退路。23日，濑谷支队开始向台儿庄进攻，中国守军第2集团军（孙连仲部）之31师（池峰城部）防守台儿庄正面，第110师、第27师防守两翼。经两日激战，日寇被击退。25日，国军第20集团军（汤恩伯部）之53军（关麟征部）、85军（王仲廉部）向峄县、枣庄出击，击破濑谷支队东援的沂州支队。
27日，濑谷支队继续向台儿庄进攻，并从北门突入城廓，双方展开巷战。29日战况最为激烈，城内一半失守。30日，日寇援军赶到台儿庄，全力向台儿庄发起进攻。同日，第2战区命令第52军、第20集团军2个师从南北夹击突入台儿庄内之敌。而日寇第5师团则突然停止攻击临沂，转与台儿庄日寇会合。第5战区判断日寇有撤退迹象，遂于4月3日令国军全线反攻。日寇逐渐不支，退出台儿庄，向峄县、枣庄撤退。
日寇在台儿庄失利后，判断徐州地区有国军精锐主力部队，遂于4月7日再次下达进攻徐州的命令，以南北对进、包围歼灭徐州国军主力，并打通津浦路。军事委员会在台儿庄大捷后，起初计划乘胜追击，扩大战果，并在第1战区和第5战区集结部队。
5月上旬发现徐州国军有被包围的危险，于是决定暂不主动发起进攻。5月15日，日寇从西北、西南、东南方向逼近徐州，次日，第5战区司令李宗仁令59军（张自忠部）、92军（李仙洲部）担任阻击任务，并由张自忠统一指挥，其余各部向西撤退。5月17日，徐州沦陷，津浦线沿线全部落入日寇之手。
6月2日，日寇华北方面军下达“向兰封以西追击的命令”，6月6日，日寇第14师团占领开封，逼近郑州。为阻止日寇攻占郑州，军事委员会于郑州以北的花园口炸毁黄河大堤，引黄河水阻止日寇的进攻。
武汉会战
武汉地处中原腹地，位于江汉平原东缘和长江汉水的会和处，是纵贯南北的平汉、粤汉铁路和横穿东西的长江的交汇点，素有“九省通衢”之称。武汉外围群山环抱，东面、北面有大别山，南面有幕阜山，构成武汉屏障。
1938年6月，日寇确定以华中方面军主力沿长江西进，并以一部沿大别山向西助攻，进而攻取武汉的作战计划。
6月15日，日寇召开御前会议，决定进行武汉作战，18日，日寇大本营下达武汉作战的预备命令。7月31日，日寇大本营制定《陆军以秋季作战为中心的战争指导大纲》，决定于秋季进行汉口和广东作战。
7月中旬，日寇调整在华军队战斗序列，将华北方面军第2军划归华中派遣军，并将新组建的第11军一同划归华中派遣军，由华中派遣军司令畑俊六指挥。随后，华中派遣军集结第2、第11军和直属兵团共9个师团，另配属一个航空兵团和海军第3舰队共30万人投入武汉会战。其中，第11军由冈村宁次指挥，由芜湖、南京出发，沿长江两岸向西进攻，从东、南面包围武汉，第2军由东久迩稔彦王指挥，从合肥出发，向西沿大别山推进，从北面包围武汉。
国民政府在准备武汉会战期间，考虑到武汉近郊无险可守的情况，吸取南京保卫战的教训，确定“应战于武汉之远方，守武汉而不战于武汉”的作战方针。据此提出“东守宿松、太湖，北扼双门关、大胜关、武胜关诸险，依大别山脉以拒敌，并于平汉路北段之积极行动相呼应。若敌悬军深入则可临机予以各个击破，或在大别山预为隐伏待其深入，出奇兵以腰击之。”
为充实武汉外围地区的防御力量，1938年6月，国民政府统帅部决定组建第9战区，以第5、第9战区和武汉卫戍区部队共同保卫武汉。其中，以陈诚为第9九战区司令长官，下辖第1（薛岳部）、第2兵团（张发奎部）担任江南方面的外围防御；以李宗仁的第5战区所辖第3（孙连仲部）、第4兵团（李品仙部），负责江北方面的外围防御；以罗卓英为武汉卫戍区司令长官，防御武汉核心阵地；江防军负责防御外围沿江要地，空军集结于武汉、南昌等机场。中国军队参加武汉会战的总兵力为14个集团军120多个师、10个炮团、舰艇30艘、飞机200架，共100万人。
国民政府确定武汉会战的作战目的为：“争取作战4个月，予敌以最大之消耗。”
1938年6月，在北线的日寇第2军第13、第3师团占领凤台、正阳关、淮南、寿县等要点，打开沿大别山西进的通道。
中路第6师团沿长江北岸西进，于6月13日占领安庆，7月25日第6师团继续西进，26日攻陷太湖，8月4日宿松、黄梅失守。
南路日寇第11军于7月23日在九江东南至姑塘登陆，26日九江失守。8月4日，日寇第106师团占领沙河后，向大王山、马鞍山、金家山一线进攻，第29集团军（王缵绪部）依险据守，日寇猛攻6天不能突破，且伤亡惨重。8月12日，日寇调集第101师团西渡鄱阳湖，于8月21日于星子登陆，准备攻击第29集团军侧背，被国军第25军（王敬久部）阻击于东西孤岭。
8月30日，于长江以北之中路日寇第6师团向广济要塞发起攻击，战至9月9日，日寇绕到广济以北并攻占广济城。9月16日，武穴被日寇攻陷，日寇开始从三面进攻长江重要江防阵地田家镇要塞，国军第2军（李延年部）经10余天激战，第9师伤亡2100余人，第57师同样伤亡惨重。9月29日李延年在蒋介石严令固守的情况下命令部队撤退，田家镇要塞失守，武汉东面门户洞开。
在长江南岸，南路日寇于8月24日攻占瑞昌后，其波田支队、第9师团、第27师团继续向西进攻，9月14日波田支队进至码头要塞，9月16日攻击富池口要塞，经一周激战终得逞，至10月9日，渡过富水占领阳新、大冶。与此同时，第9师团于9月11日开始沿瑞阳公路向西攻击，受到第2兵团所部阻击，至10月2日进至排市镇，10月9日渡过富水河向国军第75军 （周碞部）发起攻击，并占领三溪口、八相庙等要点。第27师团于9月16日发起攻击，一路策应第9师团的行动。
被阻于沙河、东西孤岭的日寇第106师团和第101师团，于8月27日再次发起进攻。9月12日，西孤岭阵地被突破，国军第1兵团司令薛岳令第75军、第66军增援，据守隘口南北一线。日寇发动猛攻并施放毒气，守军虽一度丢失部分阵地，仍将日寇一个联队包围，歼敌千余人。9月20日，第11军令106师团“迅速进入德安西南地区，从侧背攻击德安之敌”，同时令101师团向德安靠近。9月25日，106师团3个联队向万家岭守军发起攻击，薛岳令第66军、第74军、第4军的6个师将进攻万家岭日寇合围，至10月10日，被围日寇除少数逃脱外，余部全部被歼灭，史称“万家岭大捷”。10月27日，日寇第101师团攻陷隘口后，与第106师团残部会和，攻陷德安，与中国守军形成个对峙。
北线日寇第2军之第10师团和第13师团分南北两路沿大别山西进，国军第3兵团（孙连仲部）奉命节节抵抗。9月2日，日寇第10师团越过叶家集向固始方向进攻，9月7日突破第71军（宋希濂部）的防线，并占领固始；第13师团于同日占领叶家集后，渡过史河，也向第71军富金山阵地发起进攻。71军凭借有利地形顽强抵抗，并不断组织反击，第13师团损失惨重，每个连队仅剩40余人。9月9日，日寇第16师团增援，迂回第71军侧背，断其退路。第71军于12日放弃富金山阵地，并协同第2集团军继续依托大别山险要据守月余。
日寇第10师团占领固始后则继续西进，进至潢川以东之官渡与国军第59军（张自忠部）遭遇，经一周激战，第59军主动后撤，并占领大别山隘口继续抗击日寇。第10师团一部于9月21日占领罗山并继续西进，被国军第17军团击退。9月28日日寇第10师团主力到达罗山，10月6日占领平汉线之柳林车站，切断平汉线。与此同时，日寇第3师团投入战场，于12日攻占信阳。
至此，北线和南线日寇对武汉形成南、北、东三面夹击之势。南线长江北岸之中路日寇于10月24日攻陷葛店，逼近武昌；北线第10师团切断平汉线后继续南下应山逼近武汉；南线长江以南之日寇越过金牛铺，进至咸宁。
此时，国民政府统帅部鉴于武汉外围要塞尽失，且基本达到消耗敌人的战役目的，遂于10月24日放弃武汉，日寇于10月26日占领汉口、武昌，27日占领汉阳，武汉遂告沦陷。
武汉会战是中日全面战争爆发以来，参战兵力最多、规模最大、时间最长的一场战役。经此一役，日寇人力、物力、财力遭到巨大消耗，再也无力扩大战争，不得不停止战略进攻，而转入保守占领区为主、发动局部重点进攻的战略相持阶段，武汉会战因此成为中国全面抗战防御和相持两个阶段的转折点，在此后的作战中，除1944年豫湘桂大溃败以外，中国守军没有再大面积丧失领土。
1938年10月，武汉会战激战正酣，日寇第21军3个师团在广东大亚湾登陆，中国华南地区燃起战火。为保障以广州为中心的华南地区国际运输线，国民政府在两广设置第4战区，任命何应钦为战区司令，下辖第4、第12集团军部队，后因武汉战事吃紧，部分部队被抽调，在日寇发起进攻时，华南地区国军仅有7个师又2个旅的兵力，布置于大亚湾、广州、珠江一线。10月12日，日寇第18、第104师团从大亚湾登陆后，仅遭遇国军1个营的轻微抵抗，随即向惠州推进。惠州也仅有1个团守军，在18师团的进攻下，于15日失守。21日，第18师团抵近广州。次日，广州沦陷。23日，日寇出动110架飞机及第5舰队数十门大口径舰炮对虎门要塞实施轰炸，炮台被击毁，当晚要塞失守。至10月29日，广州及周边区域全部被日寇侵占。
