中国军队顽强有效的抵抗，让日军南路沿江攻击武汉的计划被迫推迟。在久攻不下中国军队正面阵地后，冈村宁次以赌徒式的冒险，令日军第106师团利用中国军队防线上的缝隙，仅携带6天口粮，孤军深入后方，试图偷袭中国军队后路。

然而日军的动向即被中国军队第4军发现。这支在北伐中于丁泗桥战役一战成名的“铁军“迅速缠住日军。此时的薛岳正调动部队刚刚包围日军第27军。当发现日军第106师团并孤军深入之后，薛岳迅速放弃日军第27军，转而攻击更加孤立的第106师团。

薛岳先斩后奏，在尚未获得武汉军委会批准就迅速调集重兵包围第106师团，并动用蒋介石部署在庐山做敌后游击之用的第66军断绝日军后路。当身在九江的冈村宁次从空军侦察中发现薛岳的部署意图时，日军第106师团已经陷入10万中国大军的合围之中。

蒋介石对薛岳下令务必在10月9日24时前全歼日军106师团，作为给“双十节”献礼，第106师团的防御阵地于10月9日彻底崩溃。薛岳第1兵团主力第74军第51师师长王耀武，命令第305团团长张灵甫亲率敢死队，经浴血奋战占领万家岭战场最高峰张古山制高点，彻底断绝了日军退路。

为拯救死伤惨重的日军第106师团，日本华中派遣军司令官俊六大将亲自组织向万家岭地区空投了200多名联队长以下军官，以补充该师团战斗力。此举动显示出中国军队对第106师团的重大杀伤。在万家岭战场周围约10平方公里的土地上，日军的辎重、马的尸骨、钢盔、马鞍、弹药箱、毒气筒、防毒面具等杂物，俯拾可得。

此外沿山麓、沿道路、沿溪流，到处都是日兵骸骨，若说五步一尸、十步一马，并不算过分，统计雷鸣谷刘村、哔叽街、万家岭一带战场，日兵骸骨至少在6000具以上，马骨至少在千具以上。

10月24日，日军对武汉形成了东、北、南三面包围的态势。同时为策应武汉会战，日军于10月12日在广东南海大亚湾登陆，10月24日切断了粤汉铁路，占领广州。蒋介石在日记中这样写道：“此时武汉地位已失重要性，如勉强保持，则最后必失，不如决心自动放弃，保全若干力量，以为持久抗战与最后胜利之根基。”

在坚持抗战而非妥协投降的大前提下，必要时机放弃某些据点的战略认识方面，国共双方所见略同。10月24日，蒋介石正式下令放弃武汉，并“将凡有可能被敌军利用之虞的设施均予以破坏！”

此后，中国军队在严密的组织下，以大无畏的勇气和作战胆识，主力全部跳出日军的包围圈，实现了中国军队的“敦刻尔克大撤退”。

历时逾4个多月的武汉大会战，是抗战以来规模最大、战线最长、伤亡人数最多的一次战役。是役两军在纵横千里的战线上激战4个多月，日军动用12个师团，120余艘舰艇，500余架飞机，共35万人；中国军队参战的有129个师，40余艘舰艇，100多架飞机，共110万人。日军伤亡在10万以上，中国军队伤亡20万人。

中日双方动用了开战以来最大兵力，日军未能歼灭中国100多个师中的哪怕一个师，最终占领的只是一座燃烧了两天的空城。

武汉、广州失守后，日军已无力继续实施战略进攻，抗战进入战略相持阶段。