1944年8月，日军侵占湖南衡阳后，任命第6方面军司令官冈村宁次指挥第11、第23集团军主力、第2飞行团(飞机约150架)和第2遣华舰队一部，共约16万人，在位于越南的南方军一部配合下，以打通桂越(南)公路为目标，向桂林、柳州发动进攻。8月29日，第11集团军6个师团又1个旅团由衡阳沿铁路向湘桂边界推进。另以第23集团军2个师团又1个独立混成旅团，于9月6日由广东清远等地沿西江向广西梧州进攻，另1个独立混成旅团由广东遂溪向广西容县进攻。
日军原定计划是分头攻取，即横山勇第11军的主力从湖南经“湘桂咽喉”全州攻击桂林，9月14日，由于中央军陈牧农第93军不战而走，日军第11军五个师团得以不费吹灰之力攻占全州，随后调整部署，准备攻击桂林。
单说柳州方向的作战，来敌是从广东北上的日军田中久一第23军之第22、第104师团。这两个师团无论是战斗力还是士气，均不如第11军的第3和第13师团那两个头牌。其中第22师团是从杭州经海运调来华南的，曾在东沙岛海面遭遇中美联合航空队的空袭，不仅被击沉了若干舰船，还淹死了1000多号人，并且损失相当数量的重武器，因此这一路日军的士气并不怎么高。到9月22日，第23军陷梧州。至10月11日才又相继攻占平南、丹竹和桂平、蒙圩。
国军第四战区鉴于全州地区日军第11军尚无行动，遂调整部署，将所部编组为桂林、荔浦、西江3个方面军，南宁、靖西2个指挥所，以大部兵力固守桂林，集中一部兵力先击破西江方面之敌。
21日，第64军配属桂绥第1纵队向进占桂平、蒙圩之日军独立混成第23旅实施反击。另以第135师等部向平南、丹竹攻击，策应反击。战至28日，日军第23军主力逼近武宣，而第11军也开始进攻桂林，国民党军队遂停止反击退守武宣。
11月4日，日军第11军主力突破桂林、荔浦方面军的防御阵地，进抵桂林城郊，同时分兵一部向柳州进攻。
11月7日，第四战区将3个方面军编组为左、中、右兵团，集中兵力保卫桂、柳。
桂林作为当时的广西省府，桂林城防当然由桂军负责，也就是等于由白崇禧统一部署调度，所以第四战区司令长官张发奎虽名义上指挥9个军、2个桂绥纵队和空军一部(飞机217架)，共约20万人，此外有黔桂湘边区总司令部的3个军支援，但实际桂林城防是插不上手的。
9日，日军第40、第58、第37师团和第34师团一部，向桂林城发起总攻。同日，日军第23集团军第104师团、第11集团军第3、第13师团突破国军中央兵团的防御阵地。11日，防守桂林城区的第31军大部牺牲，小部突出重围，桂林陷落。
此时坐镇柳州的陆军二级上将张发奎，理论上可以动用的部队有三个集团军：杨森第27集团军（川军）、夏威第16集团军（桂军）、邓龙光第35集团军（粤军）。其中，兼第九战区副司令长官的杨森及其所部，不久前才从湖南撤下来的，整个集团军只剩下不到3万人，故而很难发挥作用，那么作战主力当然就是粤军和桂军了。
根据重庆军事委员会的命令，柳州城防应由粤军第35集团军之黄涛第62军负责，然而张发奎为了保存这支自己的心腹部队，单方面改为了杨森集团军所属的丁治磐第26军（中央军旁系）守城，尔后以桂系夏威的16集团军防守宜山，以粤系邓龙光35集团军置于来宾以西。这个部署的中心意思，就是以中央军顶在最前面，桂军部署在后面，而粤军在侧翼保持机动。
杨森所属26军军长丁治磐经历四次长沙战阵，是老油条子了，当然不会以一己之力死守柳州，早有一打即跑的预谋。此时日军第23军的部队需要翻越大山推进缓慢，而一向喜欢抢功求胜的横山勇，则从桂林前线抽调第3、第13师团率先扑向柳州。因此当第3师团先头部队刚一接近柳州时，丁治磐军长的命令是：军属炮兵猛劲轰击，将炮弹全部打光就撤退。所以，第26军在柳州仅仅坚持了不到24小时，就全军“转进”，致柳州失守。丁治磐在上报战况时称坚守柳州城区的第26军伤亡过半，奉命撤离实为逃避追责的托辞。随后，日军第3、第13师团沿黔桂铁路(都匀-柳州)向西北进攻;第23集团军沿柳邕公路(柳州-南宁)向西南进攻。
丁治磐为了保命而撤兵实属可耻。但也从反面说明丁也确实了解当面日军第3、第13师团的强悍。第3师团的师团长丰岛房太郎曾任日军14师团第59旅团的旅团长，在38年的兰封会战中以一个旅团的兵力担当兰封城右翼的掩护任务，在几次长沙会战中也是骁勇善战的精锐，所以单单一个第3师团就让他的26军难以招架，何况两个精锐师团合击。
11月10日，日寇第11军部队轻取柳州。
日军进攻的下一个目标是桂西重镇宜山。
宜山是西南大后方的物资储运中心，建有许多军用仓库并储有大量军用物资。防守此地的是桂军第16集团军夏威的主力第46军的两个师。日军第13师团的先头大队1000余人，在行进间首先偷袭了位于永福的第16集团军夏威总司令部，结果拥有直属部队步兵和骑兵数个团的桂军集团军总部，面对少量日军的进攻立马惊慌失措，总司令夏威以下纷纷跳河逃走，鬼子冲进集团军司令部时，屋内的一桌饭菜还没有吃完，地图文件扔了满地都是。
夏威慌忙撤到宜山县城，得到情报证实进攻永福的日军只有一小股，感觉挺丢人，想挣回一点脸面，随即命令第46军军长黎行恕一定要死守宜山，而在百色的张发奎也希望桂军主力第46军能打出点样子来，以保卫桂西山区的海量物资。然而仗一开打即陷入混乱，汉奸日特在城中纵火、打信号弹，前线守军又以为日军已迂回占领县城，急忙撤出阵地准备逃跑。夏威获得情报确定是汉奸在城中作乱，知道不战而退的严重性，把电话直接打给188师师长海竞强（白崇禧外甥），在电话里严厉训斥：“县城还在我们手里，敌人从何而来？你不报告就撤退，我要杀你的头，现命令你一定、必须坚守到底。要坚持到让你退你再退，否则即将你就地正法”！
谁知就是这样再三严厉督令，海竞强竟然也只多守了大半天就跑路了，海竞强心里明白：至于夏威枪毙什么的你说说也就得了，你还真敢真杀我这白崇禧的亲外甥？故此到11月15日，桂系重镇宜山沦陷，日军掳获物资堆积如山，甚至用缴获的美式榴弹炮轰击溃逃的桂军。
11月24日日军攻占南宁。
张发奎终于忍无可忍，急电重庆要求惩处第46军各级主官：“查此次桂柳会战，第46军参战最晚，人员武器亦较他军优越数倍，及与寇接触不及两日，损耗亦不严重，居然自相惊扰，避开正面，致宜山垂手陷贼”云云。老蒋阅电，叹了一口气说：“46军黎行恕的头是铁的吧？”侍从室主任林蔚知道老蒋又动了杀机，急劝劝说黎行恕乃夏威爱将，而其第16集团军目前在桂柳前线举足轻重，杀不得啊！是以作罢。
就这样整个桂柳前线完全崩溃，日军如入无人之境，竟然能够在中美联合航空队的扫射轰炸下，不到20多天推进700公里，从桂柳地区一直杀到贵州的独山，平均每天前进30公里。很多时候，第四战区的部队还未及设防，日军就已经杀到眼前，状况极为混乱。张发奎甚至亲率一个工兵团、一个炮兵团和五辆坦克在怀远组织防御，陆军上将指挥团级部队作战，足见其狼狈非常。
比较而言，在侧翼作战的粤军表现要稍好一些，邓龙光第35集团军之第64军集中尚能作战的主力4000余人，在部分广西民团的配合下，于桂平、蒙墟地区猛烈反击北上的日军独立混成第23旅团，不仅重创当面之敌，还击毙大队长一员。在来宾，第62军则阻击了北上的3000余日军骑兵，毙伤其800余人后将其赶回了南宁。
28日，日军南方军第21师一部从越南突入中国，向广西绥渌(今属扶绥)进攻。至此，从中国东北直至越南河内的大陆交通线，终于被日本侵略者打通。国军溃退入贵州。日军以3000余人的兵力沿黔桂公路追击，如入无人之境。
沿黔桂铁路进攻的日军至1944年12月2日攻至贵州独山，逼近四川，震动重庆。在遭到第29军军长孙元良率领的900人的坚决反击后，被迫撤回广西河池。10日，日军第21师与第22师各一部在绥渌会合。至此，大陆交通线全部打通。中旬，双方逐渐形成对峙，桂柳会战结束。
此役由于桂军丢盔弃甲一败涂地，致百姓生命和财产损失惨重无法估量。广西民间写了一副对联表达愤怒：“桂省府数次搬迁，宜山不宜，都安不安，百色百变，从此凌云直上，安居乐业。四战区再度撤退，向华失向，夏威失威，云淞云散，盼望龙光反照，气煞健生”！
对联里骂的粤军将领只有张发奎和邓龙光，而桂系将领则以白崇禧打头，后面是夏威、韦云淞、凌云上等一批人，还不算那个气得老蒋半死的黎行恕。
纵观豫湘桂战役 从1944年4月中旬至12月短短的8个月中，国军共损失兵力五六十万，丧失了河南、湖南、广东、广西、福建等省大部和贵州一部，丢掉了洛阳、长沙、福州、桂林4个省会城市和郑州、许昌、宝庆、柳州、温州等146个中小城市，衡阳、零陵、宝庆、桂林、柳州、丹竹、南宁7个空军基地和36个飞机场，丧失国土20多万平方公里，约6000余万同胞处于日军铁蹄蹂躏之下。
豫湘桂大溃败，是正面战场继抗战初期的大溃败特别是中条山溃败后出现的又一次大溃败。战役中，仅河南就损失88家工厂，湘粤桂3省工厂全部沦于敌手，湖南著名的钨锑等重要战略物资亦被敌攫夺，豫湘桂是重要农业地区，也被日军掌握。日军所到之处残暴地烧杀抢掠，仅萍乡一地，被杀害者1.9万余人，被虏者2万余人，妇女被侮辱者6000余人，房屋被毁700余间，农具被毁值4700余万元，米谷被劫5万余担，棉花被劫9500余担。战争中几十万难民颠沛流离，每天数百人死于疾病冻饿。
日军方面，日本军部内部统计的损失为战死11742人。但是饿死病死也有至少同样数量，因此至少有2.4万日军死亡，加上伤病共计约十万人。
日军此役投入了41万名的士兵、800辆战车和将近7万匹马，于2400公里的战线发动攻击，这也是有史以来日军动员规模最大的一次攻势作战。最后日军以2.4万人死亡的代价成功占领美国航空队基地，并给予中国人力与物质上极大的损失，但同时也因为兵力不足而无法扩张战果，日后于中国战场长期维持守势。尽管达成作战企图，却无力保障大陆交通线畅通，也未能阻挡美机空袭日本本土。除此之外，由于分散了兵力，反而为国民党军队反攻提供了条件。而且此时，美军已占领了马里亚纳群岛，美国陆军航空兵拥有了更好的轰炸日本本土的基地，使得日军占领中国机场的行动完全失去了意义。这次战役虽然以日军取胜而告终，但大陆交通线作战在战略上其实没有达到预期目标，反而加速了日本的战败。
更为主要和隐含的战争意义还有，由于1943年至1944年日军的主要攻击目标指向国民党战场，集中了侵华日军(中国派遣军)80万的2/3用于国民党战场，从而大大减轻了华北、华中共产党抗日根据地的压力，中共领导的敌后抗日根据地得以发展并迅速壮大。
在此次豫湘桂战役即日军“一号”作战中，国军连番受挫失地的情形，极大程度地损害了美国对中国，尤其是对以蒋介石为首的国民政府的观感。美军军方一些人对国民党军的抗战能力产生怀疑，史迪威与蒋介石之间在此役之前即恶化的关系更因此达到了临界点。史迪威以此役中国军拙劣表现与辖下印度蓝迦滇缅远征军的精强做对比，直指蒋政权的腐化无能是导致战争延长的主要原因，甚至进而主张由他本人取代蒋担任中国战区最高统帅，而蒋介石也几近愤怒地要求美方撤换史迪威。
在1945年2月的雅尔塔会议上，为了使苏联尽早出兵打击中国大陆上的日军，美国罗斯福背着中国，与斯大林达成一项严重损害中国国家和民族利益的秘密协定:允许中国领土的一部分(外蒙古)在苏联保护下独立，外蒙由此从中国领土中割裂出去。造成这种严重后果的直接原因，就是国民党军豫湘桂作战的失败。
而中美指挥权的冲突最后以美方退让，美国总统罗斯福于1944年底被迫撤换史迪威而烟消云散，但美国政府及民间对中国国民党政府的印象已转趋不信任与轻视，一定程度上影响了战后国共内战的结果。