第40师团各一部向两翼出击，保护第3和第13师团侧翼，主力则继续休整。
在右翼，第37师团于9月26日向衡阳以西的邵阳进攻。邵阳外围守军第100军一部与日寇激战，阵地被突破。9月27日，第37师团攻入邵阳城内，守军第58师与日寇激战2昼夜，于9月29日撤出城内，邵阳失守。
在左翼，日寇第40师团沿粤汉铁路南下，于10月1日攻占常宁。随后，第11军各师团在全县、道县、常宁一线转入防御，集结兵力准备向桂林、柳州方向进攻。不久，第34、第58师团抵达前线。
在战场的另一端，广东方面的日寇第23军在长衡会战期间已经攻占清远、英德。所属第22、第104师团和独立第22混成旅团在清远、新会、台山地区集结。9月9日，各部沿西江两岸西进，向梧州、平南地区进攻。在雷州半岛的独立第23混成旅团从遂溪出发，向北进攻梧州以西的丹竹机场。
日寇进攻路线上虽然道路崎岖，但守军正规部队兵力太少，在梧州以东只有第159师和一些地方民众武装守备，而当面日寇是2个师团和1个旅团。战至9月22日，日寇攻占梧州。从遂溪北上的独立第23混成旅团沿途遭遇第155师阻击，战至9月22日，该旅团攻占容县。9月28日，又击退守军第135师，攻占梧州以西的丹竹、平南。
至此，第23军在桂东地区完成会战集结，与桂北的第11军遥相呼应。
在桂北方面，日寇第58师团于9月27日沿湘桂铁路向兴安进攻。守军第93军第10师（王生溢部）与日寇激战4昼夜，给予第58师团重大伤亡。战至10月1日，该师退守城西继续抵抗。10月3日，第58师团以一部迂回至兴安以西的老茶亭。另以一部（第51旅团）迂回至严关口，双方形成对峙。
此时的局势对守军已经相当严峻，第9和第4战区的兵力重点部署在桂北，桂东地区几乎无兵可守。在日寇围攻兴安期间，第9战区各参战部队陆续抵达广西境内。第4战区调整部署：第27集团军（杨森部）担任桂北右翼防御任务，所属3个师（第133、第134、第44师）向道县地区的日寇实施反击；另以2个师（第41师、第95师）在龙虎关、恭城集结。
战区副司令长官夏威率所属第16集团军第31、第46担任桂北中路（湘桂铁路正面）防御任务，李玉堂率第79军及第93军部署在战线左翼，在龙胜、义宁集结，视战场情况决定向日寇侧击或增援中路守军。邓龙光率第35集团军所部第62、第64军集结在平乐，作为机动部队。
在桂东地区，西撤的第135师、第155师在柳州东南的桂平、平南一线构筑防御工事，竭力迟滞日寇第23军，以争取时间等待增援部队抵达。
上述部队中，第9战区各部队刚刚结束长衡会战，平均实力不足编制的1/4。部队番号虽然众多，实际战斗力相当有限。有些部队因为畏战，故意行动迟缓，在桂林和柳州激战时，还处在行军中，并没有实际投入战斗。
10月11日，桂东日寇第23军独立第23混成旅团强渡邕江，于次日攻占桂平；第104师团迫近大湟江口。10月13日，第4战区决心集中桂东守军和战区机动部队向日寇第23军实施反击。
10月21日，第64军（黎行恕部）和桂绥第1纵队向桂平日寇独立第23混成旅团发起猛攻。同时，第37军（罗奇部）和桂绥第2纵队向平南日寇第104师团发起反攻。在此期间，中、美空军出动轰炸机和战斗机为地面部队提供火力支援，反击部队当天攻占了日寇在桂平以南、蒙圩的几处阵地。独立第23混成旅团一名大队长被飞机炸死。
此后几天双方持续激战，至10月26日，日寇第104师团夺取大湟江口。日寇第23军主力全力反击，迫使国军第64、第37军转为守势，但仍然将日寇阻击在桂平、蒙圩一线。
在桂北地区，第11军于10月26日下达南下命令。中路第58师团此前和第10师在兴安地区激战，始终没能肃清兴安城西地区的守军。10月28日，第58师团发现守军有撤退迹象。第11军司令横山勇随即命令该部和第40师团迅速向桂林方向急进，尽快夺取桂林。同时，第3和第13师团向桂林以东地区进攻，夺取平乐、荔浦。
11月1日，第58师团抵近桂林北门外火车站，第40师团进至城西北，第13师团一部进至桂林以南，第37师团迂回到桂林西南。至此，桂林被日寇团团包围。
驻守桂林的是第31军第131师（阚维雍部）和第46军第170师（许高扬部），由第16集团军副总司令韦云淞统一指挥。日寇第11军司令横山勇很快发现守军兵力薄弱，判断第4战区主力已经东调。他立即命令第3、第13、第37师团抓紧南下进攻柳州，留下第40和第58师团进攻桂林。
11月6日，南下的第3和第13师团攻占荔浦、阳朔，从东面逼近柳州。