5月17日，菊兵团各部队全部到达洛阳周围。兵团长野副昌德决定18日开始进攻洛阳。当天，除城北邙岭区仍为第65师防守外，城西、南、东三面日军均已迫近城垣。在守军坚强抵抗下，日军的多次突击均被击退，激战终日，毫无进展。
“华北派遣军”于20日晚下达命令:“应以目前态势继续进攻，并纳入第12军司令官指挥。”
21日至23日，日军先后攻占邙岭区内后洞、上清宫、苗家岭等各要点，守军退入城中。5月24日13时，日军在航空兵、炮兵及坦克支援下，对城垣发起猛攻。激战约1小时，日军战车第3师团及其机动步兵即突破城西北角。17时，第63师团亦突破城东北角。18时20分左右，日军的坦克冲入城内，中、日双方军队展开激烈的巷战。第15军军长武庭麟下令各部队各自夺路突围。黄昏后，大部撤出，未接到命令及未及撤离的官兵仍英勇地进行逐屋争夺战。激战彻夜，至25日8时，日军完全占领洛阳。
豫中会战仅37天，损失了38座城池，日军即打通了平汉路南段，并占领了沿线各要点及古城洛阳，击溃了第一战区的主力部队，实现了战役企图。第一战区的军队损失严重，第36集团军总司令李家钰在撤退中牺牲。据事后统计，第一战区在此次战役中伤亡军官817员、士兵18327人，日军伤亡4000人;据日本防卫厅防卫研究所统计，日军伤亡3350人，中国军队阵亡32290人，被俘7800人。
第一战区在战役结束后所作《会战之检讨》中说:“此次中原会战，挫师失地，罪戾难辞。”确是事实。为此，第一战区司令长官蒋鼎文和副司令长官汤恩伯均被撤职。豫中的失利大大刺激了日本人的胃口，5月23日，日军第11军指挥所从汉口推进至蒲圻。
5月25日、26日，日军第1飞行团空袭长沙，并与中、美空军在荆门上空进行了空战。
5月27日，日军第一线5个师团开始分3路向第九战区崇阳迄公安、南县一带发起全线总攻:东路第3、第13师团于5时首先向守军第30集团军第27军阵地进攻;中路第116师团(欠1个联队)、第68师团于21时至24时强渡新墙河，向守军第27集团军第20军阵地进攻;西路第40师团、第116师团的第109联队、独立混成第17旅团的2个大队以及独立步兵第5旅团以3个大队编成的野地支队均于24时向松滋河东岸守军第99军第92师前进阵地进攻。
第34师团第218联队(针支队)于20时，在海军支援及前导下搭乘170余艘小艇由岳阳南航进入洞庭湖中。迄28日零时，日军第一线部队全部投入战斗。
日军发动总攻后，迅速突破守军第一线阵地，强渡过新墙河，向纵深攻击前进。战斗至6月1日，东路日军第3、第13师团先后攻占通城、麦市、南江、龙门驿及平江;守军新13师撤退至南江以东的幕阜山区，第20军转移至平江以南祖师岩附近收容整理。
中路日军第116师团(欠1个联队)及第68师团相继攻占杨林街、黄沙街、关王桥，进至汨罗江北岸，乘汽艇南下的第218联队则越过汨罗江，攻占归义;守军第20军退守汨罗江南岸，第37军留一部兵力防守汨罗江阵地，主力南撤至上杉市。
西路日军第40师团及独立混成第17旅团一部、独立步兵第5旅团主力先后攻占南县、安乡、三仙湖市，进至赤山半岛;守军第100军的第63师及第99军的第92师(此时尚属第六战区)被迫西撤。
6月2日，军事委员会致电第九战区:“饬薛长官转各总司令、各军、师长，上下一致，争取最后胜利。并规定凡命令固守地点，不得擅自撤退，违者照连坐法治处。”
薛岳准备以第92师、第99师、第77师、第162师分别固守沅江、湘阴、益阳、三姐桥。军事委员会则令“固守长沙(岳麓山)、浏阳、衡阳三要地” 。
同日，日军第11军也下令命各师团对汨罗江以南的守军第37军、第99军进行包围击歼，并向捞刀河前进，同时将第二线兵团的第34师团和第58师团投入战斗 。日军各师团稍加整顿，即按照军的命令开始行动。
第九战区见浏阳方面情况紧急，急令第183师于6日到达桐木(浏阳东南约30公里)，令第26军星夜兼程至萍乡，策应浏阳、醴陵方面和作战。但防守右翼的第37军仅实施轻微的抵抗，即逐步后撤至浏阳以东山区;防守左翼的第99军则仍据守着湘江两侧的青山、乔口、靖港、兰溪、营田、湘阴、樟树等据点，顽强抗击日军。
日军第11军遂下令命西路日军及中路日军围歼第99军。军事委员会为增强湘江以西的防守能力，于****令第六战区的第24集团军归第九战区指挥。战斗至6月8日，西路日军第40师团攻占沅江后又攻占花湖口，迫近白马寺;守军第92师及第99军军部撤至沩水南岸。
中路日军第116师团及第68师团均已突破汨罗江防线，进至捞刀河北岸的水渡河、春华山地区;守军第99师撤至三姐桥附近山区;在第116师团西侧新加入战斗的第34师团突破守军的神鼎山、新开市阵地后，到达捞刀河北岸的桥头;在第116师团与第68师团之间新投入战斗的第58师团的主力进至汨罗江以南栗山港附近，其52旅团则西进攻占了湘阴。
此时，东路日军第3师团及第13师团已分别进至浏阳西北的相公寺及浏阳以东的蒋家埠附近。
6月6日：欧洲登陆日。以艾森豪威尔为首的盟国大军登陆诺曼第，对希特勒的欧洲堡垒发动筹划已久的大攻势。赵继统随即建议暂停攻击，与德国一起寻求谈判解决方案。被东条英机以发出“不祥之音”为理由，解除了一切职务，扔到了预备役里。随即被老单位外务省（赵继统毕业于外务省在神户的间谍学校）特聘为情报司欧洲课课长。