在长衡会战中，国民党军队没有守住长沙和衡阳，丢失了大片国土，引起了美国人的不安。为了阻止日军的攻势，罗斯福将史迪威提升为上将，断然向蒋介石施加压力，提出了抑蒋联共的对华政策。7月6日，罗斯福电告蒋介石：由于国民党军队的溃败，“中国的情况是那么危急，如果不立即采取根本的行之有效的挽救办法，我们的共同事业就会遭到严重挫折。”
罗斯福强调指出，日军的进攻“不但威胁着你的政府，而且威胁着美军在中国的一切建树”。他强烈要求史迪威指挥在华的全部中国军队和美国军队，包括共产党军队在内。然而蒋介石不能容许美国与中共军队的联合，他借故婉转地回绝了罗斯福的要求。
8月上旬，日军攻占衡阳后，为贯彻其打通大陆交通并破坏中国空军基地的目的，继续发动桂柳作战。日军大本营为加强对湘桂作战的指导，于8月26日新设第六方面军，司令部设在衡阳，把冈村宁次从华北方面军调来任司令官，统一指挥横山勇第十一军、田中久一第二十三军和防卫武汉附近的佐野忠义第三十四军，随即开始集结部队，储运物资。冈村将横山勇军约十万多人集中部署在湘桂铁路沿线及其以南地区，命令田中久一军在西江方面集结铃木贞次的第一○四师团、平田正判的第二十二师团和米山米鹿的独立第二十二旅团等部，约三万多人，又在雷州半岛方面集结下河边宪二的独立第二十三旅团四千人，准备分进合击，向桂柳地区发动进攻。横山勇打算尽早开始进攻，迅速攻下桂林，向柳州挺进，与田中久一的部队策应，在柳州附近围歼中国军队。
张发奎第四战区以夏威第十六集团军、杨森第二十七集团军和邓龙光第三十五集团军共九个军担任桂柳地区的守备，并决定在湘桂铁路方面迟滞日军的进攻，在西江方面先采取攻势，各个击破进攻的日军。因日军主力使用于湘桂路方面，张发奎决定以湘桂路方面为防御重点，阻击日军推进。先以李玉堂兵团黄涛第六十二军和方靖第七十九军等部在湘桂正面迟滞日军行动，并派前来增援的周福成第五十三军向全县推进。杨森集团军取道湘南，侧面阻击日军前进。邓龙光集团军迎击西江方面的日军。桂南方面由地方团队担任守备，另派贺维珍的第三十一军在桂柳附近构筑工事，准备固守。
从8月22日开始，中美空军为支援中国地面部队作战，主要以桂林、柳州和昆明为基地，出动飞机一千三百八十六架次，在空战中击落日机三十四架，击伤十架，炸毁停在机场的飞机六架，炸毁车辆四百多辆，大小木船五百七十八艘，破坏阵地、车站、库厂和指挥机构五十多处，以及桥梁十一座。
9月上旬，冈村指挥横山勇军和田中久一军分别从湖南、广东向广西桂柳地区发动进攻。横山勇派山本师团、赤鹿理师团、长野师团、宫川师团和毛利师团等部队沿湘桂铁路及其两侧进犯，突破陈牧农第九十三军防御阵地，11日占领黄沙河，14日占领广西东北要地全县，打开了广西的东北门户。中国守军沿途已无险可守，日军可直插桂林。
9月21日，日本最高战争领导会议决定制止国内动摇，要让一亿国民全部投入战斗，表明决死一战的顽固态度。
9月下旬，田中久一军以铃木师团、伴健雄师团和米山旅团从广州附近的清远、三水、佛山、江门及台山等地，沿西江及其两侧向西进犯，接连攻陷怀集、肇庆、云浮和德庆等地，24日占领梧州。田中久一又派下河边旅团从雷州半岛的廉江向北推进，进占陆靖和容县，28日与西进的铃木师团占领丹竹和平南，从东南方面对桂柳形成攻击态势。
张发奎调集邓龙光集团军的陈公侠军和桂绥第一纵队，攻击桂平和蒙墟的日军；派杨森集团军的罗奇军从蒙山向平南攻击，予以策应。10月20日，在空炮火力支援下，对桂平地区的日军下河边旅团开始攻击，突破日军阵地，到28日突入蒙墟街区，与日军展开激战。冈村宁次为了稳定日军态势，命令铃木师团突破金田村掩护阵地，对攻击部队左翼构成威胁，张发奎组织的反攻被迫停止。
从北面突进的日军，接连攻占兴安和灌阳，于10月底推进到桂林以南的良丰和阳朔等地，对桂林侧后构成包围态势。
11月4日，日军毛利师团和宫川师团对防守桂林的贺维珍军第一三一师、黎行恕军第一七○师等部阵地发动进攻。5日，日军多次使用毒气，攻击城东郊七星岩阵地，守军伤亡惨重。7日，日军在炮、空、坦克支援下，从西面、北面和东面攻城，突破城防阵地，守军与日军展开巷战，到11日，守军部分突围，桂林失陷。
柳州是日军攻击的另一个重要目标。11月上旬中日两军在桂林激战时，赤鹿理师团从良丰南下，4日占领永福，并向柳州西北方向进逼。山本师团从恭城向南攻占了平乐，与杨森集团军的杨汉域军在荔浦附近激战，并继续向柳州东郊突进。铃木师团突破了黄涛第六十二军在东乡的阻击线，进占武宣和象州，向柳州南郊突进。张发奎命令杨森集团军的丁治磐军担任柳州城区防御，罗奇军担任柳州南郊防御，杨汉