当日军部署进攻许昌时，第一战区组织反击，令汤恩伯“以第29军全部以第13军两师击灭密县之敌”。汤恩伯令第13军配属暂16师由禹县北向密县实施反击。这次反击虽然使日军第110师团暂时转为守势，但对日军第12军主力围攻许昌并未产生影响。
4月29日夜，日军第62师团首先行动，迅速攻占第20师防守之颍河两岸阵地，掩护其他部队进入攻击出发地位。4月30日拂晓，在炮兵、航空兵火力支援下开始攻击。守军新29师依托工事顽强抗击，日军伤亡甚众。激战至17时30分左右，守军伤亡惨重，日第37师团第225联队及战车第3师团第13联队分别由许昌城西和城南突入城内。经巷战后，新29师于当夜在城东北角突围，突围过程中师长吕公良阵亡，残部逐次向叶县方向转移。5月1日上午，日军占领许昌。
日军“华北方面军”认为“当时在重庆军当中，第八战区的第1军和第一战区的第13军是各该战区中的精锐核心兵团。重庆军的特点之一，是核心兵团一旦被打垮，全军就要支离破碎，因此打垮第13军，就等于打垮汤军”。当得知汤恩伯的第13军正在登封地区反击密县日军第110师团的情况后，认为“围歼第13军的良机即将到来”，“方面军参谋部于是不断以电话、电报指示第12军：‘赶快咬住第13军，予以围歼”。
日军第12军根据方面军的指示，不待许昌攻下，就于4月30日10时30分下达了攻占许昌后向登封转进、寻歼第13军的命令。攻占许昌后，第27师团及第37师团第227联队（配属1个步兵大队、1个山炮中队）于5月1日夜由许昌南进，5月5日下午攻占漯河和郾城。守军第89军新1师向东撤走。武汉地区日军第11军根据“中国派遣军”的命令，在日军占领许昌时，派独立步兵第11旅团（7个大队）于5月1日夜由信阳北上，2日至明港，3日拂晓至新安店。由于防守确山一带的第五战区第68军部队不战而走，日军第11旅团当日占领确山。日军第27师团先头部队仅受守军第29师的轻微抵抗，即于5月7日占领遂平，9日进至确山，与第11旅团会合。平汉路南段被日军打通。当日军第12军南进时，驻于上海地区的第13军奉“中国派遣军”之命，派第65师团师团长率其步兵第71旅团和第64师团的步兵第69旅团，于4月25日开始从安徽凤台、正阳关向颍上、阜阳进攻，以牵制位于平汉路以东的第15、第19集团军，策应第12军的作战。该师团的师团长惟恐过早深入而被歼，27日占颍上后即缓慢前进，至5月6日，9天时间仅前进约30公里。8日，日军27师团因已占领遂平，京汉路又基本打通，故返回原防。
日军第12军主力于5月2日开始向登封转进。根据方面军的意图，该军围歼汤恩伯第13军的作战指导大致为：“派第110师团由北方，第62师团由东方，包围歼灭第13军。再派战车第3师团和骑兵第4旅团主力由临汝及其以西地区，向大金店方向前进，以便歼灭敌军。此外，派战车师团部分兵力和第37师团主力确保临汝至长埠街道路附近要冲，尽力围歼向南撤退的重庆军。”〔６〕
5月3日，日军战车第3师团已突抵郏县，汤恩伯急令第85军将登封防务移交刚到的第9军，迅速增援临汝，协同47师守备城防。与此同时，守军第38军亦令第17师一部协同新35师向已拥入至方家岭附近的日第110师团进攻。但在守军部署尚未就绪之际，日军第110师团已于5月4日突进至登封西北约16公里的圣水附近，切断了登封与偃师的交通线。第4集团军巩县以东阵地的侧背亦因之完全暴露。日军战车第3师团在守军第85军到达临汝之前，已于5月4日拂晓占领临汝，守军第47师与第85军向临汝以南退走。日战车师团继续西进，当晚即进抵伊川以东附近渡河，切断了第31集团军的后方联络线。其机动步兵第3联队及战车第13联队一部，于当晚突进至洛阳南方的龙门附近，形势急转直下。至此，守军第9军与第13军已被日军分割，而第9军更陷于包围之中。
5月5日，第9军突围，向颍阳镇撤退，途中遭日军节节截击而溃散，损失重大。得悉颍阳一带已为日军占领，遂于6日夜退向嵩县东北收容整顿。与此同时，原在告成、白沙地区的第13军及暂16师及预11师亦于5日黄昏前突穿日军白沙以南的封锁线向临汝方向撤退，沿途亦遭日军战车部队的不断冲击，损失奇重，后在第85军掩护下，才得以穿越临汝以东封锁线南下，向半扎附近集结。
防守巩东、金沟至老饭沟一线的第4集团军在第9军和第13军等突围溃退后已形成孤立突出，旋奉命向洛阳西北地区转移，至5月8日亦退至陈凹附近。至此，汜、登主阵地全部被日军占领。
为了策应第12军作战，日“华北方面军”令第1军派第69师团师团长率其第59旅团5个步兵大队及独立混成第3旅团3个大队于5月9日夜由垣曲渡黄河攻略渑池，以阻止第八战区东援；为加强进攻洛阳的进攻力量，还调防守北平的第63师团师团长率所属步兵第67旅团及3个独立步兵大队赶至郑州，并指挥独立第9旅团及第12野战补充队（称“菊兵团”或“野副兵团”）参加进攻洛阳的行动。
5月10日，“华北方面军”下达命令：“第12军应以一部兵力歼灭临汝西南和嵩县方面的重庆军，同时以主力迅速向宜阳、新安方面挺进，进入洛阳西北方；第1军应迅速渡过黄河，向洛阳方面挺进；野副兵团应击溃洛阳以北的重庆军，向新安方面挺进；以上东、西、南互相呼应，围歼第一战区军，进而攻占洛阳；敌军退却时，应立即朝陕县或向洛宁方向急追。”
日方面军虽然下达进攻洛阳的命令，但第12军对此有不同的见解，认为当前主要的任务应该是追击刚被击溃的汤恩伯部和第31集团军，在它们整顿以前予以击歼，进攻洛阳及其周围的蒋鼎文部应视为次要任务，遂不按方面军的命令进围洛阳，仅以独立步兵第9旅团、第110师团及战车第3师团各一部对洛阳保持监视，而以主力分沿黄河南岸，朝颍阳至新安、龙门街至嵩县和宜阳方向追击前进，另以第62、第37师团分别尾追撤退的各守军部队，在临汝以北，西向伊、洛河上游河谷追击。
5月10日，第一战区转发了军事委员会的作战指导大纲。主要内容：“１． 第15军及第94师仍固守洛阳。２． 第4集团军及第9军（目下集结于洛阳以北之陈凹）应迅速南向宜阳附近增援汤兵团。３． 汤兵团以主力固守伊阳（今汝阳）、宜阳，并派一部守洛宁，俟第4集团军到达后，再行转移攻势。４． 刘戡兵团应集结磁涧（洛阳以西约17公里）以南地区，准备侧击由渑池向洛宁或向洛阳前进之敌，并策应第36集团军之作战。５． 第36集团军应以一部酌留河防，抽调主力打击犯渑池之敌。６． 第39集团军应速集结主力，阻击南渡之敌，相机转移攻势。７． 该战区应先控制伊阳、宜阳、洛宁、嵩县各据点后，再图反攻。８． 第一战区司令长官部指挥所可转移洛宁第14集团军总部附近。”〔８〕各部队奉命后，乘日军尚未迫近时，于10日进抵指定地区。
日军第1军第69师团于5月9日夜从垣曲及其以西一带强渡黄河，担任河防的新8军暂29师及河北民军一部稍战即退，日军于11日攻占英豪、渑池，守军新8军军部亦稍一接触即行南撤，日军在渑池获得了大批粮食、弹械，并切断了陇海路的交通，洛阳守军从此陷于孤立。
5月12日，日军第37师团第225联队击败第12军第81师，接着占领嵩县。汤恩伯兵团各军间的联络被割断。13日，日战车第3师团一部击败刘戡兵团的暂4军，攻占磁涧；第47军亦放弃新安南退，撤向洛宁。日军紧紧追击，14日占宜阳，15日占韩城，17日占洛宁，20日占卢氏。第一战区的第4集团军、第36集团军、刘戡兵团等部队均退至闵乡附近地区，战区司令长官部移至闵乡东南的官庄。此时汤恩伯兵团早已溃退至伏牛山地区，洛阳陷于完全孤立。
防守洛阳的第15军及第94师共7个团的兵力（第64、第65师各2个团，第94师3个团），分为“城厢”、“邙岭”（城北）、“西工”（城西）3个守备区，第94师担任城厢区守备，第65师担任邙岭区守备，第64师担任西工区守备。
日军在第12军及第1军追击第一战区各部期间，对洛阳采取了“封锁”措施，第12军在洛阳周围的部队和炮兵等，凡属不参加洛河追击的部队，全部配属给菊兵团，负责执行此项任务。划归菊兵团指挥的有第110师团第163联队第1大队、独立混成第1旅团的步兵第74大队、独立混成第2旅团的步兵第5大队、独立混成第9旅团的步兵第38大队及野战重炮兵第6联队的1个大队。连同菊兵团本身的10个大队，总计14个步兵大队、1个重炮兵大队。
5月17日，菊兵团各部队全部到达洛阳周围。兵团长野副昌德决定18日开始进攻洛阳。当天，除城北邙岭区仍为第65师防守外，城西、南、东三面日军均已迫近城垣。在守军坚强抵抗下，日军的多次突击均被击退，激战终日，毫无进展。“华北方面军”于20日晚下达命令：“应以目前态势继续进攻，并纳入第12军司令官指挥。”21日至23日，日军先后攻占邙岭区内后洞、上清宫、苗家岭等各要点，守军退入城中。
5月24日13时，日军在航空兵、炮兵及坦克支援下，对城垣发起猛攻。激战约1小时，日军战车第3师团及其机动步兵即突破城西北角。17时，第63师团亦突破城东北角。18时20分左右，日军的坦克冲入城内，中、日双方军队展开激烈的巷战。第15军军长武庭麟下令各部队各自夺路突围。黄昏后，大部撤出，未接到命令及未及撤离的官兵仍英勇地进行逐屋争夺战。激战彻夜，至25日8时，日军完全占领洛阳。
（三） 会 战 简 析
豫中会战仅30余天，日军即打通了平汉路南段，并占领了沿线各要点及古城洛阳，击溃了第一战区的主力部队，实现了战役企图。第一战区的军队损失严重，第36集团军总司令李家钰在撤退中牺牲。据台湾国民党当局的《抗日战史》记载，第一战区在此次战役中伤亡官佐817员、士兵18327人，日军伤亡4０００人；据日本防卫厅防卫研究所统计，日军伤亡３３５０人，中国军队阵亡３２２９０人，被俘７８００人。第一战区在战役结束后所作《会战之检讨》中说：“此次中原会战，挫师失地，罪戾难辞。”确是事实。为此，第一战区司令长官蒋鼎文和副司令长官汤恩伯均被撤职。
造成此次失败的原因，有关作战指导方面的，《检讨》总结了两条主要原因：一是河防部署不合理想。黄河重要渡口及岸防部署的都是新部队，而且是“后退配置”；加以未能破坏日军修复的铁桥，黄河天险丝毫未起地障作用，既未能歼敌于半渡，又未能歼敌于岸边，日军渡河及序战均未遭打击，轻易地渡过黄河，占领有利地域，装甲部队亦得以长驱直入。二是作战部署不适合指导方针，主力部队未能集中控制，“极度分散，且又配置重心过偏于南”，以致日军进至郑州、密�