由于武汉地区的战事仍然僵持，中国自国外的战争物资仍持续自南方港口输入，日军在此时决定抽调3个师的后线部队对中国的海上生命线施加压力，故决定以两栖登陆的方式占领广东沿海港口。由于广东地区的粤军主力多抽调支援武汉会战，故占领的速度出乎各方意料地快，不到半个月的时间广州地区沦陷。
此时的武汉，畑俊六所率南北两路日军艰难地突破中国50个军拦截，突入武汉外围，完成包围武汉的行动。鉴于武汉外围已无险可守，且广东的失守让武汉的战略地位不再重要，固守已失去实质意义，为了保全有生实力，国民政府决定弃守武汉，退至重庆。日军完成攻占武汉三镇的行动。
武汉保卫战进行了4个半月，是抗日战争初期时间最长、规模最庞大的战役。国府空军耗损极大，海军基本被消灭，但陆军大部分主力仍在，日军被削弱。此外战役争取到时间，让转移至华中的设备以及人员成功迁移至西南地区，为以后能长期坚持抗战奠定基础。而日本已经用尽全力，国内只剩一个师团。人口数大幅度降低，无法支应战事。战局不可避免地走向日本最感痛苦的长期消耗战。
日本战前目的是在武汉作最后决战、以消灭国军主力及结束战争，未能达到。日军在华中发起数次战役皆无重大斩获，中国战场陷入僵持。裕仁决定不再作战略进攻，以维持现状为目的。直至1944年发动“一号作战”前，日军再没有大型作战与武汉会战规格相同。
第一次长沙会战
（1939年9月13日～1939年10月8日）
主战将领
中方
第九战区司令长官薛岳
第15集团军总司令关麟征
日方
第11军司令官冈村宁次
兵力
中方
约24万名士兵（30个师）
日方
约10余万名士兵
日军侵占广州、武汉后，由于战线过长，兵力不足，人力、物力消耗巨大，财政经济陷入困境。同时日本国内反战厌战情绪开始滋长，统治阶级内部因“速战速决”战略的破产和对外政策的分歧而争吵不休。日本改变侵华方针，其军事战略也做了相应调整，放弃速战速决战略，准备长期作战。在其他城市相继沦丧后，长沙乃国民政府控制下的西南唯一屏障，一旦长沙被攻陷，中国在战争中将处于被动局面。
日军战术目标是“在最短期间内，捕捉敌第九战区主力部队，将其歼灭”。日本为达到对国民政府诱降和军事打击的目的，集中10万兵力从赣北、鄂南、湘北三个方向对长沙发起了进攻。
第九战区代司令长官薛岳为保卫长沙，采取以湘北为防御重点，调动了30多个师和3个挺进纵队，共约24万多人参加此次战役。薛岳以所谓“天炉战法”，依湖南的地势，左倚洞庭湖，右凭幕阜山，以其间新墙河、汨罗江、捞刀河、浏阳河这四条河作为迟滞日军的依据，并彻底实施“化路为田，运粮上山”的做法，将日军机械化部队的机动力消除。“后退决战，争取外围”成为国军总体方针。
国军以且战且退的做法在四河与幕阜山间游移，攻击然后后撤躲藏，将日军拖入四河之中，最后再以长沙城中主力与外围藏在山林中的部队合围深入四河中的日军。9月29日，日军到达长沙外围，但是他们因补给线被切断而未能攻占该城。10月6日，日军第11军司令官冈村宁次宣称在达到作战目的后撤军。关麟征察觉日军意图，率第15集团军尾随其后，薛岳随即命令各部主力部队实行“超越追击”。国军各部却担心日军佯退，并没有全力执行薛岳的命令，使日军后撤十分顺利。10月8日，双方各自回到长沙会战前的阵地。日军伤亡1.3万人，国军伤亡2.6万人。
1938至1944年，中日双方共进行了4次腥风血雨的长沙会战，是8年抗战中日双方出动兵力最多、规模最大、历时最长的大会战，日军共计出兵66万人次，中国军队100余万人次。前两次长沙会战，双方都自称获得了胜利。从战术上看，双方并未分出胜败，中国军队的损失更大。但从战略上阻止了日军的战略目的，可以认为是抗战中的胜利，此外国军将长沙视为第一个没有失陷的中国主要城市。
日军在两次攻占长沙均未得逞的情况下，于1941年12月23日，又以第40师团主力发动了第三次对长沙的进攻，薛岳再次沉着应战，最终取得大捷，日军伤亡5.6万余人，中国军队伤亡2.8万余人。这是“珍珠港事变”以来，盟国在亚洲战区中唯一的胜利，是自太平洋战争爆发后盟军的第一次重大军事胜利。1944年5月，日军发动第四次长沙会战，以优势兵力发动猛攻，中国军队被迫撤退，长沙最终沦陷。