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日军第５师团师团长今村均鉴于昆仑关遭到中国机械化部队的强大攻势，情况危殆，急令第２１联队由南宁前往增援。第２１联队主力突破沿途中国军队的阻击，与昆仑关日军会合，增强了守备力量，但其后尾第２大队一出南宁便受到中国军队的侧击，在六塘和七塘附近陷入包围。
１９日，荣誉第１师继续猛攻昆仑关。中国空军也投入作战，向日军阵地轰炸扫射。战车部队曾一度突入昆仑关。日骑兵第５联队和步兵第２１联队伤亡惨重，阵地多处被攻破。第５军第２００师接替伤亡较大的荣誉第１师，继续猛攻，步、炮、战车协同，向日军不断冲击，至２１日，终于将昆仑关、九塘、八塘附近的日军第２１联队等分别包围。日军连日激战，后方被切断，得不到补给，粮弹极缺，只能靠日海军飞机直接向第一线空投补充；但因双方阵地十分接近，互相交错，又在中国军队炮火控制下，日军地面部队所能得到的空投物资很少。在多次战斗中，日军因无弹药，步兵只好拼刺刀。日迫击炮及野炮兵中队因炮弹已尽，惟恐被中国军队缴获，将炮埋于地下；又怕军旗为中国军队获得，已准备焚烧。有的士兵用竹子做成扎枪当武器，苦守待援。
与此同时，中国西路军第１３５师和１７０师一部于１２月１９日向高峰隘发起攻击，但未能突破日军阵地，日军增援部队反而绕到第１３５师侧后，形成对第１３５师的两面夹击，第１３５师遂向后撤退。第１３１、第１８８师和第１７０师一部则分别迂回到四塘、绥渌等地，切断了日军由南宁、龙州向北增援的道路。东路军第１７５师和新１９师也各向大塘、小董、钦县袭击，破坏日军后方交通联络，策应昆仑关方面的作战。
１２月２０日，日军第５师团为解第２１联队之围，又令第２１旅团旅团长中村正雄指挥第４２联队２个大队向昆仑关增援。中村支队上午１０时从南宁出发，在五塘附近遭到中国军队伏击，苦战５小时，强行突破，继续北进，遭到中国军队越来越有力的拦截，进展迟缓；至２２日拂晓，才勉强进到七塘；当晚再次向北突进，激战彻夜，才前进２公里。２３日下午１时３０分，第２１联队向第５师团和第２１旅团发出电报：“傍晚前旅团若来不到，第一线难以确保。”〔４〕但得到的答复仍是：要死守待援，不得已时可撤出第一线阵地，确保九塘或八塘。〔５〕２４日晨，第２１旅团在向九塘突进途中，旅团长中村正雄遭中国军队炮击，腹部被贯穿，延至２５日凌晨死去，部队由第４２联队联队长坂田元一指挥。至２５日８时３０分（即从南宁出发６天以后），才推进４０公里左右，到达九塘。当夜，以一个中队的兵力乘夜暗向昆仑关增援，并带去几万发子弹，稍微加强了第一线守备力量。在此期间，第５师团还从第９旅团、“台湾混成旅团”各抽调一部兵力驰援昆仑关，沿途也遭到中国军队坚强阻击，进展困难。
１２月２５日至２８日，中国军队稍事休整，调整部署，制定最后夺取昆仑关的计划。２９日凌晨，第５军在炮兵、装甲车协同下再次发起强攻，第２００师、荣誉第１师、新２２师与第１５９师均投入进攻。困守多日的日军虽仍在顽抗，但不足以抗拒中国军队的强大攻势。至３０日，大部阵地被中国军队所攻占。３１日拂晓，第５军在炮火支援下向昆仑关发起最后冲击，至１１时肃清全部日军，占领昆仑关，并继续向九塘、八塘攻击前进。１９４０年１月２日，第５军的荣誉第１师、新编２２师和第６６军的第１５９师对九塘、八塘实施围攻。４日，又以第２００师加入进攻。但因日军增援部队“台湾混成旅团”和第９旅团各一部已进抵九塘集结，守备力量增强，中国军队连攻７日，未能奏效，双方形成对峙。１月１１日，第３８集团军命令第３６军接替第５军防务，将第５军撤往后方休整补充。持续５０多天的昆仑关激烈争夺战暂时平静下来。当时称之为“昆仑关大捷”。这场战斗对鼓舞民心士气起到了积极作用。
（三） 翁源、英德和宾阳作战
１９３８年１０月下旬，日军攻占广州时，因兵力有限，将占领区限制在广州及其周围的狭小地区内，未经大本营批准，不得超越占领区以外作战，也不得扩大占领区。但广州日军在中国第四战区第１２集团军（总司令余汉谋）包围下，经常受到袭扰和威胁。第２１军为改善态势，于１９３９年８、９月间向大本营建议对第四战区和第１２集团军司令部所在地韶关发动一次攻势，歼灭第１２集团军主力，将占领区扩大到翁源、英德附近。日军还想以此战鼓励和支持汪精卫建立华南傀儡政权。汪精卫于１９３９年７月下旬专程飞往广州，利用其在两广的影响，拉拢与蒋介石素有矛盾的粤系、桂系和滇系将领反蒋，瓦解抗日军队和国民政府，但没有得逞。１１月１５日，大本营批准了第２１军的作战计划。但这时第２１军正在进行南宁作战，已无机动兵力可用，于是大本营又将第３８师团和近卫混成旅团从日本本土拨归第２１军序列，遂行向韶关的进攻作战。
第２１军待各部队集结完毕后，以第１８师团（师团长久纳诚一）、第１０４师团（师团长滨本喜三郎）和近卫混成旅团（旅团长樱田武）组成向韶关进攻的兵力，预定１２月２６日开始行动。但１２月１８日南宁昆仑关方面战况趋紧，第５师团告急，第２１军决定改变韶关方面作战计划，将作战区域由韶关缩小到翁源、英德，开始攻击的时间提前到１２月２４日，以便尽快抽出兵力向南宁方面增援。２４日各部队发起攻击后，进展较快，第１８师团于２９日１８时占领翁源，第１０４师团于３０日１６时３０分占领英德，给了第１２集团军以一定打击。第２１军随即命令各部队停止追击，迅速回撤，匆匆结束了翁、英作战。
１９４０年１月１日（翁、英作战结束第二天），日军各部队即开始向广州回撤。近卫混成旅团和第１８师团直接撤到黄埔港登船，运往钦州湾上陆，支援桂南作战。１月２２日前后，近卫混成旅团到达七塘附近集结，第１８师团到达南宁附近集结。
在此期间，中国方面也向桂南前线增调了第２、第６、第６４军和新编第３３师共８个师的部队。桂林行营曾计划待后续部队集结完成后，以克复南宁为目标，向日军展开新的攻势。但１月２８日８时，日军即以台湾混成旅团、近卫混成旅团和第２１旅团在四塘、五塘间地区展开，在第５师团指挥下向昆仑关及其两侧的中国军队正面发起进攻，以第１８师团在昆仑关以东约２０至３０公里处向中国军队侧后迂回。日本大本营从关东军抽调２个飞行中队专门支援这次作战，连同海军第３联合航空队的飞机，共有１００多架控制了战区的制空权。２９日，日军第９旅团也加入对昆仑关正面的攻击，而以近卫混成旅团向东北行动，加大迂回兵力。
担任昆仑关正面防御的中国军队是第９９军主力和第３６军一部。该两军凭借有利地形和既设阵地奋勇抗击，阻止了日军的进攻，但昆仑关左翼防御兵力不足。１月３０日，日军第１８师团和近卫混成旅团已迂回到甘棠附近，有攻占甘棠、直趋宾阳之势。桂林行营和第四战区痛感甘棠方面日军对中国军队侧后威胁甚大，急令第４６、第６４、第６６军各一部向甘棠及其以北地区集结，限２月１日到达，２月２日向日军发起反击。但各部队尚未到达指定位置而日军已于１月３１日占领甘棠，并继续向北攻击。中国军队在开进途中与日军遭遇，仓促应战，不敌日军在大量飞机掩护下的进攻，向后撤退。２月１日，日军飞机对宾阳实施集中轰炸。第３８集团军指挥机关遭到严重破坏，通讯联络一时中断，各部队行动陷于混乱。２月２日，日军第１８师团和近卫混成旅团合攻宾阳。当日１８时宾阳失陷。第１８师团追击中国军队，直抵宾阳以北的邹墟。
在昆仑关正面，激烈的攻防作战一直在持续进行。但日军迂回到昆仑关翼侧占领宾阳之后，昆仑关防御已失去意义，守军且有被切断退路、遭受夹击和包围的危险。２月２日，第四战区命令分属第３７、第３８集团军的第９９、第３６、第２、第６、第６６各军弃守昆仑关，主动向上林和大览方向撤退。２月３日，日军再次占领昆仑关，并继续追击，于４日占领上林。在高峰隘方面，日军第５师团一部也突破中国守军阵地，占领武鸣。中国军队主力在红水河以南占领第二线阵地，以确保柳州。广东方面，第１２集团军则乘虚加强对日军的袭扰，策应桂南作战。
日军此次昆仑关、宾阳作战的目的，只在给中国军队以反击，巩固其对南宁的占领。达此目的后，为避免战线延长、兵力分散、补给困难，第２１军司令官安藤利吉立即命令各部队收缩兵力，退出宾阳、上林、甘棠、武鸣、昆仑关等地，集结于南宁周围。２月８日，日军开始后撤。至２月１３日，第５师团全部撤至南宁，在南宁市周围约１０公里地域内构筑防御阵地；近卫混成旅团撤至邕江以南，台湾混成旅团撤至钦县、防城，确保后方交通运输线；第１８师团于２月中旬撤回广东。
中国军队在日军后撤时尾随日军跟进，占领日军撤出的各地，与日军保持接触。
２月９日，日本大本营为适应华南作战需要，撤销第２１军战斗序列，组成华南方面军，由安藤利吉任司令官，统一指挥广东、广西两方面的作战。直辖部队有第１８、第３８、第１０４、第１０６师团。在南宁另设第２２军，由久纳诚一任司令官，下辖第５师团、近卫混成旅团和台湾混成旅团。也隶属于华南方面军序列。
此后，桂南方面中日双方军队再未发生大的作战。
１９４０年３月间，日军第２２军和华南方面军虽曾建议集中３个师团的兵力向柳州、桂林进攻，给重庆国民政府以更大的军事压力，配合政治谋略，解决中国问题，但未获中国派遣军总司令的同意。
中国军队一面与日军保持接触，对日军后方交通线发动若干袭击，一面进行整训。
１９４０年５月，纳粹德国向法国发动大规模进攻，贝当政府投降，更无力顾及远东事务，日本遂乘机向法国施加压力，要求法国同意日本派兵进驻越南北部。几经谈判，法国终于被迫同意日方要求。９月，日本大本营从第２２军序列中调出近卫旅团组成印度支那派遣军，进驻越南河内、海防谅山等战略要点，以便从越南直接截断中国西南国际交通线，并为向东南亚侵略扩张准备跳板，收一箭双雕之利。这样，日军占领南宁的意义减少，便逐步从南宁撤兵。至１１月中旬全部撤退完毕，第２２军序列也随之撤销