日本中國派遣軍總司令畑俊六擬定的“一號作戰計劃”已經完成了兩部分，豫中會戰和長衡會戰，接下來將是桂柳會戰。若日軍達成其戰略目的，中國將被分爲兩半，重慶基地有可能被其佔領，這也是抗戰伊始，趙繼統最爲擔心的日軍戰略方針。
日軍侵佔湖南衡陽後，爲準備進佔廣西桂林、柳州，日軍成立第6方面軍，以岡村寧次爲司令官，出動第11軍橫山勇第3、第13、第37、第40、第58、第116師團，及戰車、重炮聯隊，共6個師又1個旅，於8月29日由衡陽沿鐵路向湘桂邊界推進;以第23軍2個師團又1個獨立混成旅，於9月6日由廣東清遠等地沿西江向廣西梧州進攻，另1個獨立混成旅由廣東遂溪向廣西容縣進攻。
岡村寧次奉命指揮第11、第23軍、第2飛行團(飛機約150架)和第2遣華艦隊一部，共約16萬人，在南方軍一部配合下，以打通桂越(南)公路爲目標，向桂林、柳州進攻。
中國第四戰區司令長官張發奎指揮第二十七、第十六、第三十五、第二十七集團軍，及第六戰區孫連仲第二十四集團軍、湯恩伯、封裔忠兵團，共9個軍、2個桂綏縱隊、空軍一部(飛機217架)，共約20萬人，在黔桂湘邊區總司令部的3個軍支援下，以分區防禦抗擊日軍。
日軍第11集團軍攻佔全州，隨後調整部署，準備攻擊桂林。日軍第23軍陷梧州，相繼攻佔平南、丹竹和桂平、蒙圩。
第四戰區鑑於全州地區日軍尚無行動，遂調整部署，將所部編組爲桂林、荔浦、西江3個方面軍，南寧、靖西2個指揮所，以大部兵力國軍第31軍桂系中將軍長賀維珍部2萬兵力固守桂林，集中一部兵力先擊破西江方面之敵。第64軍配屬桂綏第1縱隊向進佔桂平、蒙圩之日軍獨立混成第23旅實施反擊;另以第135師等部向平南、丹竹攻擊，策應反擊。
日軍第23軍主力逼近武宣，中國軍隊遂停止反擊退守武宣。與此同時，日軍第11軍突破桂林、荔浦方面軍的防禦陣地，主力進抵桂林城郊;一部向柳州進攻。第四戰區將3個方面軍編組爲左、中、右兵團，集中兵力保衛桂、柳。日軍第40、第58、第37師和第34師團一部，向桂林城發起總攻。
同日，日軍第23軍第104師團、第11軍第3師團及第13師團突破中央兵團的防禦陣地，攻向柳州。防守桂林城區的中國軍隊撤退，部分在撤退途中被俘，桂林陷落;守軍除第16集團軍副總司令韋雲淞、第31軍軍長賀維珍率一部分幕僚逃出以外，桂林防守司令部參謀長陳濟恆、第31軍參謀長呂旃蒙、第170師副師長鬍原基、第131師第392團團長吳展等以下官兵2400餘人在戰鬥中犧牲。
31軍131師少將師長闞維雍拒絕撤退，於陣地拔槍自盡忠烈殉國。據日軍第11軍統計，桂林戰鬥中，中國軍隊陣亡5665人，被俘13151人，被日軍繳獲各種口徑的火炮156門、重機槍110挺、輕機槍359挺、步槍2737枝。
第二十四集團軍、司令湯恩伯、參謀長封裔忠兵團接到要固守柳州的命令後，以急行軍於當夜到達指定位置，當即進行防禦部署:令第37軍在象縣以北掩護主力向柳州轉進，令第188師在柳州以北、以東的長塘、東泉各附近掩護柳州側背安全，令第26軍防守柳州，令第20軍控置於柳州西車站附近待機。第26軍以第41師守備柳州東面和北面，第44師守備西面和南面。
8日，日軍第13師團及第3師團分別進至柳州以北6公里處和柳江東岸，第23軍的第104師團先頭第161聯隊進至柳州南約18公里的四方塘(第22師團仍在貴縣北龍山地區)。楊森急令第20軍的第134師在柳州西岸擔任河防，並以一部佔領鵝山，以加強防守力量。
9日，日軍第13師團、第3師團分由柳州以北、以東和東南發動總攻。
當日中午，日軍第3師團的第34聯隊由三門江附近強渡柳江，進至西岸;第13師團先頭第104聯隊攻入柳州北部;第104師團先頭第161聯隊第3大隊亦進至柳州機場南側。
10日凌晨，日軍第3師團第34聯隊與第104師團第161聯隊第3大隊攻佔柳州飛機場。美國陸軍航空隊支援戰機30架及桂林機場遭日軍擊毀;堅守柳州城區的第26軍傷亡過半，奉命撤離，柳州失守。
隨後，日軍第3、第13師沿黔桂鐵路(都勻-柳州)向西北進攻;第23集團軍沿柳邕公路(柳州-南寧)向西南進攻攻佔南寧。日軍南方軍第21軍一部從越南突入中國，向廣西綏淥(今屬扶綏)進攻。
沿黔桂鐵路進攻的日軍攻至貴州獨山，遭黔桂湘邊區總司令部部隊的反擊，撤回廣西河池。日軍第21軍與第23軍各一部在綏淥會合。至此，大陸交通線全部打通。
桂柳會戰中12萬國軍中廣西軍接近5萬，廣西桂軍在桂林2萬來人幾乎全部和日軍拼光了，當時由地方國軍守大城市且表現成這樣，這是任何一支其他地方軍隊都沒有的事情，桂林的守軍表現得非常英勇，他們在孤立無援，失去統一指揮的情況下，與近10萬裝備精良的日軍血戰13天一直戰鬥到桂林陷落，這也是桂柳會戰值得一提的地方。
日軍儘管達成作戰企圖，卻無力保障大陸交通線暢通，在日軍發動一號作戰的同時，美軍攻克了塞班島，在中國的B-29轟炸機全部轉場塞班島，因此日軍未能阻擋美機空襲日本本土。
中國共產黨延安方面則在趙繼統的通知下及早獲知情報，在一號作戰中幾乎未與日軍正面抗戰。
重慶國民**在日軍一號作戰中連番受挫失地的情形，極大程度的損害了美國對中國(尤其是以蔣中正爲首的國民**)的觀感;史迪威與蔣間在此役之前即惡化的關係更因此達到臨界點，史迪威以此役中國軍拙劣的表現與轄下印度藍迦滇緬遠征軍的精強做對比，直指蔣政權腐化無能是導致戰爭延長之主因，甚至進而主張由其取代蔣擔任中國戰區最高統帥，而蔣也幾近憤怒的要求美方撤換史迪威。