在河南北部，林芳太郎的第一一○师团和本卿义夫的第六十二师团在４月１９日早晨向防守邙山头阵地的吴绍周军发起攻击。２１日突破河防阵地后，侵占广武和汜水，２２日又攻陷荥阳。２４日，从荥阳南下的日军林芳师团与从郭店西进的日军长野师团占领密县，并继续向西南方向进攻。这时，第一战区孙蔚如第四集团军防守该地的部队退守荥阳、密县以西的虎牢关至马驹岭一线，阻止日军西进。
２５日，日本第十三军的两个旅团，从安徽正阳关和凤台攻向阜阳，做出向河南漯河进攻的态势，以牵制河南东部的中国军队。在日军打通平汉铁路以后，他们又原路撤回。
从２６日起，中国军队以王仲廉的第三十一集团军主力向密县附近的日军实施反击，逼迫日军改取守势。激战到３０日，日军后续兵团竹下义晴的第二十七师团、山路秀男的战车第三师团及藤田茂的骑兵第四旅团已集结在密县和郑州地区，迅速向禹县、襄城和许昌等地猛攻，与李仙洲的第二十八集团军和王仲廉集团军展开激战。５月１日，日军攻陷许昌，并以山路师团和藤田旅团向襄城和郏县突进。３日凌晨，日军侵占郏县和禹县，４日攻占临汝，６日再陷登封、宝丰和鲁山，日军先头部队进抵洛阳以南龙门附近。为了阻滞向龙门突进的日军，第六战区急调刘戡兵团进至龙门、伊川和嵩县一带，暂时稳定了战局。
７日，从许昌南犯的日军竹下师团攻占郾城和漯河。同一天，从信阳北进的日军独立步兵第十一旅团攻占遂平。８日，日军南北会攻夺占西平，打通了平汉铁路。此后，日军集中主力向洛阳进攻。
日军的林芳师团、本卿师团、山路师团、藤田旅团和多贺旅团，分别从登封、禹县、郏县和宝丰地区，向龙门和洛阳实施包围迂回。同时，日军三浦忠次郎的第六十九师团和小原一明的独立混成第三旅团，从晋南垣曲南渡黄河，９日侵占渑池，威胁洛阳侧后，完成了对洛阳的三面包围。
中国第一战区调整部署，除仍以武庭麟的第十五军及第九十四师固守洛阳外，令孙蔚如集团军和刘戡兵团分别撤到洛阳西南的韩城和宜阳地区集结，准备侧击从渑池向洛阳和洛宁进犯的日军。１３日，郾师和龙门的各路日军会合在磁涧地区，向集结于洛阳外围的第一战区部队攻击，李家珏的第三十六集团军等部便先后从渑池附近向西转移，日军随即尾追，向西突进，于１７日进占洛宁，１８日攻陷郏县，２０日占领卢氏。
这时，洛阳守军已陷于孤军苦战。中国军队为挽救战局，击破日军的攻势，李宗仁第五战区部队和蒋鼎文第一战区各兵团协同，对日军实施反突击，先后一度攻克遂平、鲁山和嵩县，进迫宝丰，截断平汉线。西进日军侧背受到威胁，不再继续向纵深进攻，便放弃卢氏，退守洛宁，将主力向东调动，巩固已经占领的地区。
５月１９日，日军集中本卿师团、山路师团和藤田旅团等主力部队开始向洛阳发动进攻，中国守军顽强抗击，使日军攻击受挫。２２日，日军三次攻入洛阳城关，都被中国守军赶出城外。２３日，日军把进攻重点放在洛阳北面。在日军的持续攻击下，洛阳守军伤亡惨重，第九十四师只剩下一千七百多人，但他们拒绝了日军的劝降，坚守阵地。２４日下午１点，日军向洛阳发动总攻击，攻破洛阳东北角。洛阳守军被迫于当晚１０点向洛阳东南突围。２５日，洛阳失陷。
以洛阳被日军占领为标志，历时一个多月的豫中会战结束。日军在这次会战中打通了平汉线，击溃了蒋鼎文第一战区主力，达到了作战目的。第一战区损兵折将达二十万人之多，丢失三十八座城市，河南省几乎全部沦陷。刘昌义军第二十九师师长吕公良，该师第八十五团团长杨尚武，第八十七团团长李培芹，第八十六团营长胡光耀，第八十七团营长何景和，以及第二十九师全体士兵，都在战场上牺牲。
李家珏和他的集团军总部副官处长周鼎铭以及步兵指挥官陈绍堂，也在战斗中遇难
尽管中国军队在缅北和滇西捷报频传，但是中国内地的正面战场上，战况对中国非常不利。日军“一号作战”的第一阶段，竟然在豫中会战中出乎意料地顺利，这是一个非常令人费解的现象。
东条英机在１９４４年３月，命令他的老上司畑俊六实施“打通大陆走廊”的计划时，从伪满和日本国内向中国大量增调兵力。日军攻占了约二百公里的黄河南岸，中国守军付出了巨大代价，损失惨重。第一战区司令长官蒋鼎文尝到了“走麦城”的滋味，写下了军伍生涯中最难堪的绝笔。副司令长官汤恩伯也被撤职。
日军自然很快就转入“一号作战”的第二阶段。如果说，中国军队在豫中会战中失利是因为对日军的力量估计不足，那么这一次应该有所警觉，有所作为，积极挫败日军向南推进的计划。然而，接着发生的长沙、衡阳会战的结果，更加出乎国人的意料之外。
５月２５日，日本中国派遣军总司令官畑俊六和第五航空军司令官山下琢磨，在参谋人员陪同下飞抵武汉，将战斗指挥所推进到汉口，以便就近指挥“一号作战”第二阶段作战。
在此之前，横山勇已将他的第十一军主力悄悄集结到长江沿岸。新征召的十万补充兵，外加战马四万匹，已顺利地从日本国内运达武汉，补充和加强第十一军的战力。在东京担任防空的最新四式战斗机第二十二战队，也抵达广东和武汉的机场。另外，新调来的落合甚九郎第二十七师团和坦克第三师团一部，南下集结在武汉地区。
在汉口日军第十一军司令部，召开了日军参战部队兵团长会议。
畑俊六指着地图之上说道：“我方投入长沙和衡阳作战的兵团，有第十一军七十个大队；第一军第三十七师团、第十三军第六十四师团、独立步兵第五旅团和三个野战补充队，共三十个大队；华北方面军坦克第三师团一部，第二十七师团等部三十个大队；华南方面军二十个大队。地面陆军部队共计一百五十个大队。另外，还有第五航空军、两个飞行师团、海军舰队和陆战队协同作战。这是自我军对中国开战以来，使用兵力最大的一次作战”
他接着说道：“敌第九战区部队加上第六战区可能增援的部队在内，在我军进攻长沙时，可用兵力约为四十个师；我军进攻衡阳时，预计敌方交战兵力为五十五个师。区区五十五个师，在我强大的步空兵团面前，何足为虑”
“本次作战，攻克长沙是重要一环。但我军此次所用兵力，长沙一举可破，不成问题。我所担心的是我军攻克长沙之后，向衡阳进攻时，中国远征军可能回援反攻。因此，在远征军到来之前，能否攻下衡阳，是本次作战成败的关键。所有参战兵团，务必重视作战速度。陆海空军紧密配合，快速推进，抢在远征军到来之前，一举攻占衡阳城”
接着，他宣布，战场总指挥由横山勇担任。
横山勇的几名前任，其中冈村和阿南曾指挥第十一军同薛岳的第九战区进行过三次长沙会战，三次都是以第十一军的失败而告终。横山勇认真研究了前三次失败的原因，分析第九战区的作战特点，制定了第四次进攻长沙和进攻衡阳的作战方案。他决定将兵力分为两个梯队，前后两次出击，针对攻击目标发动波浪式交替攻击。他要将强有力的精锐部队摆在两翼，造成对方中心地区的空虚和孤立，攻而夺之。
畑俊六把进攻长沙的日期定在５月２７日，１９０４年的这一天，日本海军在对马海峡打败了沙俄的波罗的海舰队。
５月中旬，王陵基集团军第三十四师第一○一团团长骆湘浦匆匆赶到薛岳的司令部，向他报告一个十万火急的情报：“据刘立藩传来的情报，日军正在武汉大量集结，征集民工，准备向长沙大举进攻。日军吸取了前三次长沙会战从正面进攻失败的教训，这次将以大兵团从湘赣边境插入，指向株洲以南，围歼长沙外围我军机动部队。”
刘立藩是汪伪政权的武昌市长，是重庆军统打入日伪营垒为抗战服务的特务，他的情报一向较为准确。但是，这并未引起薛岳重视。他认为，日军在太平洋战事吃紧，急于从中国抽兵南下。再说，日军调集了华北和武汉的兵力，正在进攻豫中平原，不可能再有大兵团向武汉集结。还有，目下正值夏季，湖南的稻田、堰塘和江河湖泊都蓄满了水，最不利于机械化部队行动。
薛岳相信，日军不可能在这个季节向长沙进攻
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