为了确保湖口，战区司令长官陈诚任命第四十三军军长郭汝栋为湖口守备区指挥官，归第三十四军团军团长王东原指挥；命令王东原指挥第七十七师、第十六师等部向娘娘庙、彭泽的日军实施反击；第七十七师原湖口防务移交刘雨卿的第二十六师。与此同时，中国海军奉命在湖口附近江面大量布雷。
七月一日，第七十七师反击先头部队四六o团，在堂山附近与波田支队一部迎头相撞。激战后四六o团退守杨家山，波田支队猛烈追击，配属的日军野战毒气第十三中队释放了毒气，四六o团上百名官兵中毒，残部二百余人被迫撤退。第二天，王东原指挥第七十七师主力与第十六师分路从侧后攻击波田支队，第七十七师给波田支队第二联队一部极大的杀伤，但自身也损失官兵数百人。三日，第七十七师继续向日军猛攻，再次击毙日军百余人。而在第十六师方向，因当面日军得到第一o六师团一部的增援，双方胶着在一起。
就在中国军队与波田支队一部苦战时，波田支队主力在海军第十一战队以及第二、第三、第十五航空队的支援下，向防守湖口的中国军队第二十六师阵地发动了水、陆、空联合攻击。第二十六师刚刚接手湖口防务，尚未完全进入作战状态 。川军官兵虽奋力苦战，但在日军强大的火力攻势下，湖口外围阵地龙潭山很快失守，波田支队主力距湖口县城仅三公里。中国统帅部严令第二十六师死守湖口，同时命令彭善的第十一师向湖口方向的日军实施侧击。日军必夺湖口，第二十六师官兵伤亡一批再上去一批，誓守防御阵地不退，日军再次释放毒气，湖口城垣的中国守军多数中毒，城防阵地随即被日军突破。
七月四日晚，湖口被日军攻占。湖口的陷落令九江危急。焦灼万分的中国统帅部严令黄维的第十八军等部对波田支队实施反击作战，中国军队的反击暂时将波田支队压制在了湖口附近的沿江地带。 南京陷落后，武汉即成为中国抗日作战的指挥中枢，也是中国的军事和政治中心。 日本陆军和海军的将领们对占领武汉极为渴望，认为“攻占汉口（武汉）的作战是早日结束战争的最大机会”。
日军进攻武汉的作战方案，一直在不断地改变。原先拟定的方案也是华北方面军切望的方案，即沿平汉铁路南下直接攻占汉口。这个方案的优点是道路顺畅，除武胜关等关隘外，大部分地段适合机械化兵团运动和作战，且能随时攻击中国军队整体战线的侧翼，包围武汉以东长江以北的中国军队主力，以期收到战略上的最大效果；缺点是推进的距离较远，进攻路线也就是平汉路的西侧，容易受到中国第一、第五、第九战区部队的威胁。后来由于作战的后方华北不断受到共产党领导的游击战的牵制与袭扰，这一方案最终被否定。
第二个方案是从淮河地区向南，通过大别山区向武汉实施包抄。其优点是攻击的距离较近，且徐州会战后日军在对中国军队的追击作战中已形成了实施这一方案的自然态势；缺点是大别山地区道路崎岖难行，是日军机械化部队的天然阻障，更何况中国军队在大别山麓筑有坚固的防御工事。随着黄河决口引发淮河泛滥，这一方案遂被取消。
最后，日军大本营制订了第三个方案，即以主力沿长江西溯直冲武汉，同时以一部沿大别山北麓西进作为策应。这一方案的优点是可以动用占据绝对优势的海、空军力量，充分利用长江良好的水运条件以为补给线路。虽然攻击的距离比第二方案远，但比第一方案近，地形也比第二方案有利。更重要的是，这条路线是中国军队准备最不充分的一面。只是，这一方案也有明显的缺点：长江沿岸是中国水网密集地带，湖沼池塘布如繁星，机械化部队的运动和作战会受到一定的限制。
按照第三方案的作战原则，六月十八日，日军大本营下达了武汉作战准备令。为完备攻取武汉的作战态势，七月四日，日军大本营下令编组新的第十一军，同时将第二军与第十一军编入华中派遣军。至此，侵华日军兵力达到了一个前所未有的高峰：日本陆军扩建了十个师团，即第十五、第十七、第二十一、第二十二、第二十三、第二十七、第一o四、第一o六、第一一o和第一一六师团。
依照大本营的准备令，日军华中派遣军制订了两路攻取武汉的作战计划：第十一军辖五个师团，先攻占黄梅和九江，而后在瑞昌、德安一线集中兵力，沿着长江及其两岸攻击前进，以南岸为主要攻击方向，分兵切断粤汉铁路，迂回武汉以南，合击并最终占领武汉；第二军辖四个师团从合肥附近出动，在长江以北沿大别山麓向西推进，攻击河南信阳，切断平汉线，然后南下从北面进取武汉。与此同时，华中派遣军直辖的三个飞行团全力协同陆军作战，海军第三舰队配合陆军溯江攻占沿江的一系列江防要塞。直接参加武汉作战的日军共有九个师团，总兵力二十五万余人，支持陆军作战的海军和航空兵部队投入舰船一百二十艘、战机四百余架。