。１３日，郾師和龍門的各路日軍會合在磁澗地區，向集結於洛陽外圍的第一戰區部隊攻擊，李家珏的第三十六集團軍等部便先後從澠池附近向西轉移，日軍隨即尾追，向西突進，於１７日進佔洛寧，１８日攻陷郟縣，２０日佔領盧氏。

這時，洛陽守軍已陷於孤軍苦戰。中**隊為挽救戰局，擊破日軍的攻勢，李宗仁第五戰區部隊和蔣鼎文第一戰區各兵團協同，對日軍實施反突擊，先後一度攻克遂平、魯山和嵩縣，進迫寶豐，截斷平漢線。西進日軍側背受到威脅，不再繼續向縱深進攻，便放棄盧氏，退守洛寧，將主力向東調動，鞏固已經佔領的地區。

５月１９日，日軍集中本卿師團、山路師團和藤田旅團等主力部隊開始向洛陽發動進攻，中國守軍頑強抗擊，使日軍攻擊受挫。２２日，日軍三次攻入洛陽城關，都被中國守軍趕出城外。２３日，日軍把進攻重點放在洛陽北面。在日軍的持續攻擊下，洛陽守軍傷亡慘重，第九十四師只剩下一千七百多人，但他們拒絕了日軍的勸降，堅守陣地。２４日下午１點，日軍向洛陽發動總攻擊，攻破洛陽東北角。洛陽守軍被迫於當晚１０點向洛陽東南突圍。２５日，洛陽失陷。

以洛陽被日軍佔領為標誌，歷時一個多月的豫中會戰結束。日軍在這次會戰中打通了平漢線，擊潰了蔣鼎文第一戰區主力，達到了作戰目的。第一戰區損兵折將達二十萬人之多，丟失三十八座城市，河南省幾乎全部淪陷。劉昌義軍第二十九師師長呂公良，該師第八十五團團長楊尚武，第八十七團團長李培芹，第八十六團營長鬍光耀，第八十七團營長何景和，以及第二十九師全體士兵，都在戰場上犧牲。

李家珏和他的集團軍總部副官處長周鼎銘以及步兵指揮官陳紹堂，也在戰鬥中遇難儘管中**隊在緬北和滇西捷報頻傳，但是中國內地的正面戰場上，戰況對中國非常不利。日軍“一號作戰”的第一階段，竟然在豫中會戰中出乎意料地順利，這是一個非常令人費解的現象。

東條英機在１９４４年３月，命令他的老上司畑俊六實施“打通大陸走廊”的計劃時，從偽滿和日本國內向中國大量增調兵力。日軍攻佔了約二百公里的黃河南岸，中國守軍付出了巨大代價，損失慘重。第一戰區司令長官蔣鼎文嚐到了“走麥城”的滋味，寫下了軍伍生涯中最難堪的絕筆。副司令長官湯恩伯也被撤職。

日軍自然很快就轉入“一號作戰”的第二階段。如果說，中**隊在豫中會戰中失利是因為對日軍的力量估計不足，那麼這一次應該有所警覺，有所作為，積極挫敗日軍向南推進的計劃。然而，接著發生的長沙、衡陽會戰的結果，更加出乎國人的意料之外。

５月２５日，日本中國派遣軍總司令官畑俊六和第五航空軍司令官山下琢磨，在參謀人員陪同下飛抵武漢，將戰鬥指揮所推進到漢口，以便就近指揮“一號作戰”第二階段作戰。

在此之前，橫山勇已將他的第十一軍主力悄悄集結到長江沿岸。新徵召的十萬補充兵，外加戰馬四萬匹，已順利地從日本國內運達武漢，補充和加強第十一軍的戰力。在東京擔任防空的最新四式戰鬥機第二十二戰隊，也抵達廣東和武漢的機場。另外，新調來的落合甚九郎第二十七師團和坦克第三師團一部，南下集結在武漢地區。

在漢口日軍第十一軍司令部，召開了日軍參戰部隊兵團長會議。

畑俊六指著地圖之上說道：“我方投入長沙和衡陽作戰的兵團，有第十一軍七十個大隊；第一軍第三十七師團、第十三軍第六十四師團、獨立步兵第五旅團和三個野戰補充隊，共三十個大隊；華北方面軍坦克第三師團一部，第二十七師團等部三十個大隊；華南方面軍二十個大隊。地面陸軍部隊共計一百五十個大隊。另外，還有第五航空軍、兩個飛行師團、海軍艦隊和陸戰隊協同作戰。這是自我軍對中國開戰以來，使用兵力最大的一次作戰！”

他接著說道：“敵第九戰區部隊加上第六戰區可能增援的部隊在內，在我軍進攻長沙時，可用兵力約為四十個師；我軍進攻衡陽時，預計敵方交戰兵力為五十五個師。區區五十五個師，在我強大的步空兵團面前，何足為慮！”

“本次作戰，攻克長沙是重要一環。但我軍此次所用兵力，長沙一舉可破，不成問題。我所擔心的是我軍攻克長沙之後，向衡陽進攻時，中國遠征軍可能回援反攻。因此，在遠征軍到來之前，能否攻下衡陽，是本次作戰成敗的關鍵。所有參戰兵團，務必重視作戰速度。陸海空軍緊密配合，快速推進，搶在遠征軍到來之前，一舉攻佔衡陽城！”