日本中国派遣军总司令畑俊六拟定的“一号作战计划”已经完成了两部分，豫中会战和长衡会战，接下来将是桂柳会战。若日军达成其战略目的，中国将被分为两半，重庆基地有可能被其占领，这也是抗战伊始，赵继统最为担心的日军战略方针。
日军侵占湖南衡阳后，为准备进占广西桂林、柳州，日军成立第6方面军，以冈村宁次为司令官，出动第11军横山勇第3、第13、第37、第40、第58、第116师团，及战车、重炮联队，共6个师又1个旅，于8月29日由衡阳沿铁路向湘桂边界推进;以第23军2个师团又1个独立混成旅，于9月6日由广东清远等地沿西江向广西梧州进攻，另1个独立混成旅由广东遂溪向广西容县进攻。
冈村宁次奉命指挥第11、第23军、第2飞行团(飞机约150架)和第2遣华舰队一部，共约16万人，在南方军一部配合下，以打通桂越(南)公路为目标，向桂林、柳州进攻。
中国第四战区司令长官张发奎指挥第二十七、第十六、第三十五、第二十七集团军，及第六战区孙连仲第二十四集团军、汤恩伯、封裔忠兵团，共9个军、2个桂绥纵队、空军一部(飞机217架)，共约20万人，在黔桂湘边区总司令部的3个军支援下，以分区防御抗击日军。
日军第11集团军攻占全州，随后调整部署，准备攻击桂林。日军第23军陷梧州，相继攻占平南、丹竹和桂平、蒙圩。
第四战区鉴于全州地区日军尚无行动，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，以大部兵力国军第31军桂系中将军长贺维珍部2万兵力固守桂林，集中一部兵力先击破西江方面之敌。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。
日军第23军主力逼近武宣，中国军队遂停止反击退守武宣。与此同时，日军第11军突破桂林、荔浦方面军的防御阵地，主力进抵桂林城郊;一部向柳州进攻。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。日军第40、第58、第37师和第34师团一部，向桂林城发起总攻。
同日，日军第23军第104师团、第11军第3师团及第13师团突破中央兵团的防御阵地，攻向柳州。防守桂林城区的中国军队撤退，部分在撤退途中被俘，桂林陷落;守军除第16集团军副总司令韦云淞、第31军军长贺维珍率一部分幕僚逃出以外，桂林防守司令部参谋长陈济恒、第31军参谋长吕旃蒙、第170师副师长胡原基、第131师第392团团长吴展等以下官兵2400余人在战斗中牺牲。
31军131师少将师长阚维雍拒绝撤退，于阵地拔枪自尽忠烈殉国。据日军第11军统计，桂林战斗中，中国军队阵亡5665人，被俘13151人，被日军缴获各种口径的火炮156门、重机枪110挺、轻机枪359挺、步枪2737枝。
第二十四集团军、司令汤恩伯、参谋长封裔忠兵团接到要固守柳州的命令后，以急行军于当夜到达指定位置，当即进行防御部署:令第37军在象县以北掩护主力向柳州转进，令第188师在柳州以北、以东的长塘、东泉各附近掩护柳州侧背安全，令第26军防守柳州，令第20军控置于柳州西车站附近待机。第26军以第41师守备柳州东面和北面，第44师守备西面和南面。
8日，日军第13师团及第3师团分别进至柳州以北6公里处和柳江东岸，第23军的第104师团先头第161联队进至柳州南约18公里的四方塘(第22师团仍在贵县北龙山地区)。杨森急令第20军的第134师在柳州西岸担任河防，并以一部占领鹅山，以加强防守力量。
9日，日军第13师团、第3师团分由柳州以北、以东和东南发动总攻。
当日中午，日军第3师团的第34联队由三门江附近强渡柳江，进至西岸;第13师团先头第104联队攻入柳州北部;第104师团先头第161联队第3大队亦进至柳州机场南侧。
10日凌晨，日军第3师团第34联队与第104师团第161联队第3大队攻占柳州飞机场。美国陆军航空队支援战机30架及桂林机场遭日军击毁;坚守柳州城区的第26军伤亡过半，奉命撤离，柳州失守。
随后，日军第3、第13师沿黔桂铁路(都匀-柳州)向西北进攻;第23集团军沿柳邕公路(柳州-南宁)向西南进攻攻占南宁。日军南方军第21军一部从越南突入中国，向广西绥渌(今属扶绥)进攻。
沿黔桂铁路进攻的日军攻至贵州独山，遭黔桂湘边区总司令部部队的反击，撤回广西河池。日军第21军与第23军各一部在绥渌会合。至此，大陆交通线全部打通。
桂柳会战中12万国军中广西军接近5万，广西桂军在桂林2万来人几乎全部和日军拼光了，当时由地方国军守大城市且表现成这样，这是任何一支其他地方军队都没有的事情，桂林的守军表现得非常英勇，他们在孤立无援，失去统一指挥的情况下，与近10万装备精良的日军血战13天一直战斗到桂林陷落，这也是桂柳会战值得一提的地方。
日军尽管达成作战企图，却无力保障大陆交通线畅通，在日军发动一号作战的同时，美军攻克了塞班岛，在中国的b-29轰炸机全部转场塞班岛，因此日军未能阻挡美机空袭日本本土。
中国共产党延安方面则在赵继统的通知下及早获知情报，在一号作战中几乎未与日军正面抗战。
重庆国民**在日军一号作战中连番受挫失地的情形，极大程度的损害了美国对中国(尤其是以蒋中正为首的国民**)的观感;史迪威与蒋间在此役之前即恶化的关系更因此达到临界点，史迪威以此役中国军拙劣的表现与辖下印度蓝迦滇缅远征军的精强做对比，直指蒋政权腐化无能是导致战争延长之主因，甚至进而主张由其取代蒋担任中国战区最高统帅，而蒋也几近愤怒的要求美方撤换史迪威。