部署是：第15军的第64师守西工区；第65师守邙岭区；第14军的第94师守备城防区。中国军队希望能在洛阳创造一个坚守住的奇迹，但日军也发动了前所未有的猛攻。
5月9日，龙门方面日军步骑兵共2000余人，在战车百余辆的支援下，沿公路进犯。另一股2000余人猛攻七里河。10日，洛阳城防警戒线被突破。从11日开始，日军以第63师为主攻部队向城内发起攻击。但是，这个由野富昌德中将率领的师团打了近一个星期，也没能攻进城内。
冈村宁次在郑州急得团团转。这个师团本是驻北平的城市卫戍部队，一年前才由1个旅团扩编而成，兵员多是从平、津一带日本和朝鲜侨民中征集来的，战斗素质不高。师团长野富昌德在维护城市治安上似有一套，但与正规军作战则缺乏足够的经验。冈村自忖，又犯了用人不当的错误。于是，他赶紧电令第12军军司令官内山英太郎立即从新郑赴洛阳前线，直接指挥攻城，并紧急调拨两个联队去助战。
17日，日军在炮火和烟幕弹的掩护下，以猛烈的攻势先摧毁了邙岭区的守军阵地。至22日，守军除一部分固守东西车站外，主力全部撤到了洛阳城内。夜间，西北高地一带亦被占领。
23日，内山英太郎将部队调整部署完毕后，派人给守军送去一纸劝降书，名义上是为了防止洛阳古城毁于战火。遭守军拒绝后，内山赶至七里河前沿指挥所，下达总攻洛阳的命令。
24日，日军先以炮兵、飞机集中轰击西南城墙及东北城角，接着由第3战车师团打头阵，第63师团步兵随后跟进，突入市区。守军依托既没碉堡工事，仍节节进行抵抗，工事被摧毁后，把成袋的大米和食盐也搬来充作胸墙和障碍物，给日军以较大的杀伤。但在日军猛烈的炮火和殊死的冲击下，守军弹药将尽，各区通讯断绝，最后终于不支。下午，守军纷纷自城东南方向各处突围而去，陇海线上的重镇洛阳被日军完全占领。
其间，5月21日，在陕县秦家坡一带的麦田里，中国第36集团军司令部被日军包围。尽管总司令李家钰命令部下只准打步枪，不准打手枪，恐怕暴露了高级司令部的所在地，但仍未能摆脱日军。日军一面冲锋，一面射击。乱枪当中，李家钰等多名高级将领当场阵亡，亦有人被俘后死于日军营中。李家钰后被国民政府追赠为陆军上将。
洛阳陷落，标志日军“1号作战”计划的第一阶段完成了预定目的。进攻中，冈村投入的实际兵力不过五六万人，而中国方面各路人马总计40万之众。在河南境内的中国军队，除少数部队顽强奋战外，大多数部队并未进行有力抵抗。身为第1战区司令长官的蒋鼎文，在日军攻陷许昌后，便把长官部撤人伏牛山深山密林中，眼睁睁看着日军大部队围攻孤城洛阳而不顾。上行下效，各集团军纷纷向西南溃逃。汤恩伯远离前线，判断错误，指挥失当，却向上谎报军情，文过饰非，以至从4月17日战斗打响至5月25日洛阳城破，38天之内丢失开封至撞关间约400公里、新乡至信阳间约350公里的广大中原地区。这次失利，理所当然引起全国上下的极大不满与愤慨。
7月初，蒋鼎文被撤消司令长官职务，回重庆到军事参议院坐了冷板凳。不久，此人索性脱去陆军二级上将的戎装，去商界赚大钱去了。汤恩伯也于8月初被蒋介石销了差，但他毕竟是蒋公的嫡系心头肉，闲了没几个月又上任黔桂湘边区总司令，直至抗战胜利，被委以京沪卫戍司令的肥缺要职，负责接收南京、上海事宜。
冈村这边兴高采烈。日军在河南作战胜利的消息传到东京，大本营像被注射了一支兴奋剂，立即决定举行各种庆祝活动。然而，这时候的日本已与1938年时大不相同，国民似乎一夜间失去了对战争的狂热，游行组织不起来，募捐没人掏得起腰包，最后只好下令东京市民挂次国旗了事。在政府“一切为了前线”的口号叫嚣下，日本国内老百姓的饭碗里已见不到多少荤腥，连铜盆铝锅都快要被搜罗去造枪炮子弹了，怎么还能笑得出来呢？
相反，拼杀于中国战场上的侵略军官兵还算衣食无愁。反正以战养战、就地刨食，偌大中国土地上生长的粮草岂能不够百多万侵略军的人吃马嚼？无数中国村庄里的猪马牛羊岂不任由日本军刀来宰杀？所以，尽管东瀛百姓早已没什么油水的肚子在咕咕叫，而进犯华夏土地的日本武士们仍攻势正酣。
河南境内的硝烟刚刚散去，日军“1号作战”的第二阶段攻势开始了。5月25日，中国派遣军总司令畑俊六大将从南京进驻到？了汉口前方指挥所，亲自指挥长衡会战。6月19日，日军占领长沙；是月下旬逼近衡阳，守军在第10军军长方先觉的率领下坚守了47天，但终因寡不敌众、伤亡过大而于8月8日开城投降。长衡会战期间，冈村在北平休闲了3个来月，只是他的第27、第37师团及若干旅团联队被畑俊六调去助战。
攻占衡阳后，日军下一个目标是向南打通湘桂铁路，为了统一指挥打通湘桂线的作战，畑俊六总司令向大本营提出在湖南方面设立一个方面军