自1943年日寇决定打通陆上交通线以来，中国派遣军所属华北方面军于1944年4月发起豫中会战，打通郑州至武汉之间的平汉线南段。1944年5月，日寇第11军发起长衡会战。至8月上旬，打通粤汉铁路岳阳至衡阳之间的铁路线。根据作战计划，日寇在下一阶段将发起桂柳会战，打通粤汉铁路南段。

1944年的太平洋战场对于日寇来说是绝望的一年。随着海军联合舰队大部分主力军舰被消灭，西太平洋上的制海权逐步被美军太平洋舰队蚕食。驻守在各个岛屿的日寇陆军守岛部队陷入孤立无援的境地。

1944年6月，美军开始进攻马里亚纳群岛，并夺取关岛和塞班岛。至此，美军又多了一个可以向日本本土发动空袭的空军基地。不仅是日寇本土，其依赖的东南亚地区海上运输线也越来越不安全。因此，打通陆上交通线就变得越来越迫切。

1944年8月24日，即长衡会战结束不久后，日寇中国派遣军调整战斗序列。以武汉保卫军为基础成立第34军，将原第11军所属第27、第34、第64、第68师团划入第34军战斗序列。第11军所辖部队包括第3、第13、第40、第37、第58、第116师团。同时，在衡阳成立第6方面军司令部，由原华北方面军司令冈村宁次任司令，第11军、第34军和华南地区的第23军编入第6方面军战斗序列。

上述3个军中，以第34军临时担任武汉地区守备，以第11军和第23军负责此次桂柳方向的作战。

桂柳会战原定于1944年9月实施，但因为长衡会战时衡阳久攻不下，会战时间因此延长了1个多月。中国派遣军于是推迟了桂柳会战时间，将进攻发起时间改为1944年11月。

1944年9月初，冈村宁次抵达衡阳。按照方面军的计划，会战将分为四个阶段完成。在第一阶段战役准备期间，华南地区的第23军于9月上旬自西江出发，攻占梧州、丹竹地区，进而完成进攻柳州的准备；衡阳地区的第11军出动长衡会战中损失相对较小的第3和第13师团，自9月下旬开始南下夺取全县，完成进攻桂林的准备。

第二阶段从11月上旬开始,，第11军自北面、第23军自东面发起钳形攻势，捕捉第4战区国军主力，并将其歼灭在桂林、柳州地区，进而打通粤汉铁路南段支线湘桂铁路。

第三阶段从12月开始，第11军从衡阳出发南下，沿粤汉铁路线攻占韶关；第23军则北上攻占英德，进而打通粤汉铁路南段。

第四阶段计划于1945年1月实施，第23军攻占南宁。与驻越南的第21师团会合，打通桂越公路，从而打通整个陆上交通线。

参加此次会战的日寇包括第11军的6个师团、第13军2个师团又2个旅团。由于此前第11军在长衡会战期间损失巨大，实际投入作战的兵力合计11万余人。

国民政府方面，豫中会战和长衡会战的惨败已经打乱了国军的防御部署。尤其是长衡会战刚刚结束，第9战区所属各部队损失巨大。负责华南地区守备的第4和第7战区由于不是防御重点，一直以来都没有部署重兵。其中，第4战区（司令长官张发奎）所辖仅有9个师，第7战区（司令长官余汉谋）所辖仅有6个师。上述三个战区部队能够投入广西作战的兵力合计只有约12万人。

1944年8月底，日寇第11军第3和第13师团开始南下，国民政府判断日寇下一个进攻的目标是桂林和柳州。遂命令第4战区所属第93军（陈牧农部）北上全县，并命令解救衡阳失败的第9战区第62军（黄涛）撤至桂北黄沙河、大榕江一线，与第93军一道建立一条新的防线。

8月24日，军事委员会下发会战指导方案：“第9战区第37、第62、第46、第79军由李玉堂指挥，第73、第74、第100军由王耀武指挥，负责防守湘南地区，迟滞日寇南下；第46军抽调一个师南下担任柳州守备任务。第4战区以第31军（贺维珍部）担任桂林守备，第93军固守全县。第7战区利用粤汉路南段山地地形，以6个团的兵力守曲江，以2个师的兵力守梧州，并以2个师准备投入桂林方向作战。 第9战区其余部队应积极向日寇后方公路、铁路沿线展开攻袭，予以牵制和消耗。”

全县是国民政府在桂北的防御要点，构筑有坚固的国防工事。在桂柳会战中，是抵御日寇南下的第一道防线。

1944年9月13日，日寇第11军开始进入广西境内。第3师团先头部队进占道县，第13师团第104联队进至全线以北的黄沙河。

第4战区获悉此消息后，认为日寇已经威胁全县右侧翼，遂急令第93军（陈牧农部）放弃全县坚固阵地，沿湘桂铁路向西南撤往大溶江。9月14日，日寇兵不血刃占领全县，打开了通往桂林的大门。

此后，日寇第11军并没有急于继续南下，而是以第37师团和第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。第37师团绕过桂林，沿铁路正面南下，两路日寇形成对柳州的夹击之势。

在桂林，第131师负责城北和城东的防御，第170师负责城南和城西防御。11月4日，日寇开始进攻桂林外围守军阵地。至11月7日，城西和城东外围阵地全部被日寇占领。当晚，第11军下达对桂林总攻的命令。第40师团于8日夜从城东突入城区，与第131师展开巷战。城西第58师团在炮火和空中支援下，以坦克为先导，连续攻占虞山、凤凰山等要点，守军全部牺牲。9日夜，该师团突入城内。城南和城西守军第170师防线动摇，于当晚决定从西南方向突围。该师撤至城郊时，遭遇日寇围堵，1000余人被俘，余部只得退回城内据守。

10日下午，桂林沦陷。城内第16集团军副总司令韦云淞、第31军军长贺维珍率指挥部一部分人员逃出城外。桂林城防司令部参谋长陈继恒、第31军参谋长吕旃蒙等以下2400多名官兵阵亡。第131师师长阚维雍战斗至最后，自杀殉国。

在柳州及外围，第4战区将第27集团军指挥部改编为中央兵团指挥部，所部下辖第20、第26、第37军。由于柳州驻有中、美空军基地，所以是第4战区守备的要点。

鉴于日寇第11军已经从北面迫近柳州，第4战区命令在柳州东南守备的第64军各部从桂平、蒙圩一线撤退。11月8日，日寇第11军所属第13和第3师团逼近柳州以东和东北地区。第23军第104师团一部进至柳州以南18公里处的四方塘。

11月9日，第11军两个师团开始发动总攻。当天中午，该部日寇渡过柳江，其先头部队第104联队从柳州北面攻入城内。10日凌晨，日寇攻占柳州飞机场。守军随即奉命向西撤出柳州，柳州沦陷。

日寇攻占柳州后，继续追击西撤的国军各部，以捣毁国军在独山、都匀两地的物资基地。至12月3日，日寇第3和第13师团先后攻荔波、独山等地。在进攻都匀时，接到第11军撤退命令。

12月4日，日寇开始后撤。至1945年2月中旬，第13师团沿柳州以西宜山、金城江、德胜一线布防，第3师团在柳州布防。

在此期间，日寇第23军各部南下，于11月24日攻占南宁，沿途没有遭到守军抵抗。同时，驻越南的第21师团从谅山北上，先后攻占龙州、明江。至1944年12月10日，第23军第22师团和第21师团在绥渌会合。至此，陆上交通线打通，桂柳会战以及整个豫湘桂会战结束。

豫湘桂会战从1944年4月开始，至1945年1月结束，共历时8个多月。日寇在一线投入兵力超过50万，是中国战场上发动的规模最大的一次进攻作战。如果将战前组建14个独立旅团和8个野战补充队（旅团级）统计在内，日寇投入的兵力超过70万人。

而国民政府自1942年开始，将新组建的部队和一些战斗较强的部队调往西南后方，就近接受援助物资整补。而各交战战区的部队除保留少数精锐部队外，大多数部队装备较差，战斗力低下。加上2年多的时间里没有经历大的战斗，官兵上下厌战、怠战、畏战情绪滋生。

整个会战期间，第1、第9、第4战区各部队除少数部队敢于牺牲，英勇作战外，大多数部队一触即溃，损兵失地。

会战整整8个多月期间，国民政府更是没有将后方任何一只部队增援到前线，导致各战区在兵力和兵器上都处于劣势，最终落败。

在战争末期能够发动这样大规模的进攻战役，日寇实际上是透支了自身的战争能力。从战前对局势的评估上，日寇的预判非常准确，其海上交通线在1944年10月开始就已经被切断。此时美军正向菲律宾群岛进攻，并出动空军对菲律宾以北、以西的东南亚和中国沿海海域实施空袭。日寇运输线沿岸海军基地遭受严重损失，运输能力迅速萎缩。

从会战的效果看，日寇显然过于乐观。粤汉铁路和平汉铁路打通后，日寇花费数月时间才修复沿线被破坏的铁路设施。1945年夏，国军在西南地区集结的部队组成4个方面军开始从广西方向反攻，再次切断了日寇的陆上交通线。