9月3日，日军第10师团从黎集沿公路向固始进攻，当日攻占石佛寺。第13师团在炮兵、装甲车和航空兵的支援下，在八里滩附近强渡史河，攻占了第71军的警戒阵地新集子和石门口后，继续向富金山第71军主阵地进攻。4日，日军第10师团从石佛寺沿公路攻击前进，强渡史河，激战后占领了第61师的警戒阵地南大桥。第13师团则集中力量猛攻富金山左翼阵地。守军以第36师的第108旅固守阵地，而以第106旅从阵地左侧、第262旅从阵地右侧实施反击。反复激战至暮，日军未能前进一步。双方伤亡均众。为支援第71军作战，于学忠抽调第114师向日军第13师团后方出击，一度攻占八里滩。
战斗至6日晚，日军第10师团突破固始东郊守军阵地。此时接防的第27军团先头部队已到达固始以西小河桥附近。由于没有联系，第61师放弃固始西撤。日军于当夜占领固始城。孙连仲为加强富金山的防御力量，令第114师于当夜接防石门口阵地，原守该地的第88师1个团归还建制。日军第13师团猛攻数日，仍被阻于富金山阵地之前。东久迩宫见其久攻不下且伤亡惨重，遂令第10师团派一部兵力向南进攻富金山西方的武庙集，企图切断富金山守军与后方商城的联络线，以支援第13师团。筱眆义男派第33旅团长濑谷启率1个步兵联队于7日从固始南下，被第71军派赴日军侧翼进行侦察、搜索的第88师第523团第1营营长梁筠发现。第88师遂在日军必经的坳口塘隘路设伏待敌，一举袭歼数百人。濑谷启退回固始。当日，日军第10师团一部占领了乌龙集（淮滨），第27军团主力已到达潢川地区，第61师撤至武庙集，第2集团军的第30军增援到达固始西南的樟柏岭、方家集附近。
9月8日，潢川方面第27军团小河桥、蜇子集警戒阵地分别受到固始和乌龙集日军第10师团的攻击，守军退守独木桥和胡簇铺。富金山方面第36师阵地和第114师石门阵地，全日受到日军第13师团主力的猛攻，但均被击退。第27军团长张自忠为争取主动，决心对固始方面日军第10师团主力采取守势，而对乌龙集方面采取攻势，企图将该地第10师团的一部先歼灭。当即部署第59军的第38师（欠留守信阳的1个团）附骑兵第2旅在潢川以东三角店南北之线占领阵地，对固始方面防御；第59军的第180师（欠留守信阳的1个团）附山炮营，除以一部守备潢川城外，主力向乌龙集方向进攻。9日，潢川方面第27军团的第180师与由蜇子集前进的日军遭遇，在陈营子附近激战至暮，双方均无进展；第38师胡簇铺前进阵地被突破，固始日军继续向第38师三角店主阵地和第30师樟柏岭阵地进攻。富金山方面，日军一部从第36师与第114师阵地的接合部突入；第114师以1个团实施反冲击，将其击退，但该团团长李超林壮烈牺牲。此时日军第16师团已进至六安以西，第2军所派工兵亦已将六安至叶家集间公路修好。第13师团无后顾之忧，于9日彻夜和10日全天，在飞机轮番轰炸、炮兵集中射击掩护下，集中全力连续向第71军及第114师阵地猛攻。第五战区急调广济方面的第138师加强第51军。
孙连仲鉴于日军连日猛攻富金山，势难久支，决心转移攻势，击灭富金山当面之敌，于10日进行部署：（1） 第51军以2个团于11日拂晓向开顺街攻击，另以2个团由石门口向富金山腹之敌攻击。第138师以主力向独山镇、石婆店之敌攻击。（2） 第71军800高地之守军于11日拂晓向当面之敌攻击，并以有力一部由顺河店出击。（3） 第30军第31师附独立第44旅于11日拂晓经茶棚店、四里冈向叶家集攻击；第30师于11日拂晓将当面之敌肃清后，向郭滩、新集子推进；第42军第27师（欠1个团）于11日拂晓向郭滩之敌攻击。（4） 第59军以3个团于11日拂晓攻击南大桥之敌。（余略）
9月11日2时起，日军猛攻富金山及800高地。天明后，日飞机20余架、炮20余门猛轰助战。9时，日军从富金山、石门口两师接合部再次突入。16时，富金山除最高峰外，山腰主阵地全被日军攻占。陈瑞河师长率第36师残部反击敌人，予敌以极大杀伤，惟战斗员兵仅余800余人，势已难支。800高地方面战况亦极激烈，第88师伤亡近千人。第61师从富金山右翼发起反击，于6时半攻占经石桥西北端高地，营长汤汉清阵亡。军长宋希濂以第61师的第366团占领800高地至庙高寺之线阵地，掩护第36师后调整理，富金山遂告失守。第114师石门口守军伤亡亦重，以一部于4时出击，进至王营附近被阻止。第118师的一部于3时从八里滩出击，占领了磨岐山。第2集团军之出击无大进展，第27军团三角店阵地被突破，日军突进至春和铺。
此时，白崇禧命令左翼兵团缩短战线，确保商城、方家集之线。孙连仲即遵令部署如次：（1） 第77军、第51军（附第138师）仍维持原态势，但第51军左翼应延伸至大湾、九个湾，与第71军联系。（2） 第71军占领庙高寺、花烟山亘龙湾之线。右自皂靴河右前方高地经大佛山至羊山为第二线。（3） 第30军以1个团占领武庙集以东高地，与龙湾之第88师联系，其余占领棋盘山、近水寺、樟柏岭、夏店子之线；第42军占领赵家棚、和风桥、张家湾、陈家湾之线。（4） 第27军团以1个师守备潢川城，1个师配置于潢川附近机动侧击敌人。
各部队遵命于12日占领新阵地。此时日军第16师团已从合肥进至叶集以西投入战斗，与第13师团及第10师团协同，继续向潢川及商城进攻。同日，第27军团留守信阳的2个团交第45军接防后归还建制。
9月13日，军团长张自忠令第180师附骑兵第13旅为城防军，以1个旅守潢川城，主力在城外机动；第38师附骑兵第2旅为野战军，位于潢川东南地区机动袭敌，军团部位于五里棚。日军第16师团在第13师团之北沿叶商公路进攻段家集第31师的右侧背。孙连仲遂令第30军退守方家集、赵家棚之线；第42军守赵家棚（不含）、高围子之线，并破坏阵地前桥梁，阻塞公路。
9月14日，日军第16师团在17辆坦克支持下攻陷方家集，续攻峡口，激战竟日，双方伤亡均重。
9月15日，第30军第31师从二道河向峡口下正面之敌侧击，未能奏效。中午，峡口两侧高地俱告陷落，第30军伤亡逾3000人，形势危急。日军第13师团一部向上石桥第27师前进阵地攻击，被守军击退。日军第10师团主力沿固潢公路越白露河向毕桥进攻，第180师主力进行阻击，战况激烈。此时孙连仲接白崇禧电话指示：“第17军团于20日集中信阳、罗山一带，第27军团及第2集团军为掩护集中，须确保潢川、商城，迟滞敌人。”后又指示：“为避免决战，商城不必固守，应竭力牵制敌人，策应潢川之防御。”孙连仲遂以一部兵力在和风桥东西之线占领阵地，掩护主力向打船店、沙窝之线撤退，总司令部移驻白果树。
9月16日，日军第13、第16两师团以装甲车中队为先导，在第1飞行团直接支援下，并列多路向商城进攻。第16师团一部迂回至商城以北十里铺，与守军第30军发生激战。而孙连仲根据战区指示，令第30军撤离商城，向小界岭转移，商城遂为日军占领。
9月17日，第五战区下达命令调整部署：（1） 第2集团军应扼守小界岭东西之线阵地，拒止敌人；（2） 第51军附第138师转归廖磊总司令指挥，第77军调麻城，归战区直辖，遗防由第138师接替；（3） 第17军团（军团长胡宗南辖第1军、第16军、第45军）归第3兵团孙总司令指挥。
孙连仲当即部署其第2集团军的第30、第42军及第71军在两路口、小界岭、沙窝、白雀园一带占领阵地，依托有利地形，坚决阻遏日军横越大别山进攻武汉。
日军第2军命令第16师团从沙窝、小界岭，第13师团从大河埂、金家？横越大别山，前出至武汉东北的麻城地区。第16师团于9月18日进至沙窝附近，第13师团于19日进至打船店附近，与守军第30军、第71军和第42军进行了激烈的攻防战。守军利用大别山的险峻地形，构筑了重叠多层、大纵深的防御工事，又不断组织反击，同时还经常出击敌后、攻击据点、破坏交通，实施伏击。日军的2个师团多次组织步兵、炮兵、坦克兵及航空兵联合进攻，但都未能突破守军的防线，而且遭到极大的伤亡。
经过前一阶段的战斗后，虽给予日军以沉重打击，但第2集团军及第71军等各部队伤亡亦大，每师兵力实际上已不足2个团，用以分守大别山各隘口阻敌深入，实感兵力不足。因而，9月底军事委员会令第26集团军（第10军）调至麻城地区增援。10月6日，日军第13师团从商麻公路以东向第2集团军第30军右翼迂回，在打船店东南山地与第30军激战。10月10日，第10军的2个师分别向第30军的两翼增援，与当面日军第13师团激战。第71军在沙窝地区亦与当面日军第16师团激战。
10月12日信阳失守，日军切断了平汉路。军事委员会即准备放弃武汉，14日开始调整部署。21日，广州又告失守，战局发生变化，军事委员会加速了撤退的行动。第2集团军的第30、第42军按照第五战区的命令，经黄安、花园、安陆向枣阳撤退。第71军经宣化店向随县撤退。日军于22日接到第3飞行团的空中侦察报告，知大别山小界岭地区的中国军队正在撤退，第13、第16师团遂于23日越过小界岭一线向武汉前进。直至中国军队放弃武汉后的26日方先后进至麻城。日军第2军以2个师团横越大别山、迂回武汉的战役企图，为第2集团军的坚强阻击所粉碎。在武汉会战中，这支日军没有起到预期的作用。
（三） 潢信公路方面的战斗
9月16日，当日军第16、第13师团攻占商城时，进攻潢川的第10师团正在潢川外围的毕桥、邓店子和十里棚等地与第27军团的第38、第180师及骑兵第2、第13旅激战中。当日19时，第27军团部在五里棚被日军包围。张自忠率特务营突围至黄围子，决定令第180师确保潢川，第38师抽1个团防守光山；师主力在潢川、光山间机动，策应各方；军团部及骑兵旅等移驻光山。17日，日军第10师团以主力分3路围攻潢川城，南路日军迂回城西南切断潢光公路。18日攻击愈益猛烈，北城、南城相继被炮摧毁，日军突入城内，巷战至暮，北城守军伤亡殆尽。第180师残部奉命退向经扶，潢川为日军占领。与此同时，日军一部由潢川城北西进，一部乘汽艇百余只溯淮河向息县故城前进，会攻罗山。
当日军占领固始、开始向潢川进攻时，第五战区急调原在襄樊整补的第22集团军的第45军至罗山，归第17军团长胡宗南指挥，防守潢信公路及其两侧地区，阻止日军西进攻击信阳。此时第45军已到达罗山地区。当时胡宗南的部署是：以第45军防守罗山地区，第16军防守信阳以东地区，第1军位于信阳及其附近地区。第45军的部署是：第125师防守罗山以东约15公里的竹竿河一带，第124师及军部在罗山、信阳之间的栏杆铺附近。
9月18日潢川失守。当天日军第10师团一部与守军第125师接触。胡宗南令第45军全