在炮火准备中，日军再次使用国际法明令禁止的毒气弹。自中日战争爆发以来，日军已经多次使用毒气弹，而在攻击南昌的作战中其数量和规模都是前所未有的。仅二十日傍晚七时二十分至三十分的十分钟内，日军炮兵便发射毒气弹三千余发。接着，日军专业毒气部队又在十二公里的进攻正面施放了中型毒气筒一万五千个，其中在第一o六师团正面施放了一万个，在一o一师团正面施放了五千个。修水河中国守军大约两公里纵深的防御阵地全部被毒气所笼罩。日军很清楚使用毒气弹是违反国际法的，于是明文规定，在使用毒气弹的地区“务期歼灭华军，以希灭口”。根据被俘的日军笔供，日军曾在战斗中将中毒的中国官兵全部刺杀。
十九时三十分，日军第一o六师团在虬津附近开始强渡修水；半个小时后，第一o一师团在涂家埠附近开始强渡。正值涨水期，宽约三百米的修水河，河水上涨了三米多，虽然给日军的强渡增加了困难，但上涨的河水也淹没了南岸中国守军的滩头阵地，原来设置在滩头的防登陆障碍物大部分都被河水冲走了。在日军施放的大量烟雾弹和毒气弹的浓烟中，中国守军因看不清修水河面只能盲目射击。结果，第-o一师团只用了五分钟就强渡成功，并突破当面中国守军第三十二军第一四二师的阵地；第一o六师团也突破了当面中国守军第七十九军第七十六师和第四十九军第一o五师的阵地。二十一日拂晓，日军两个师团分别开辟了纵深两公里的滩头阵地，掩护工兵迅速在河上架设起浮桥，坦克部队通过浮桥后直冲南岸。
日军第一o一、第一o六师团，并没有显示出其“弱”，强渡成功后随即发起猛烈突击。罗卓英第十九集团军的一线部队第七十九、第四十九军在混乱中努力阻击，但还是一溃再溃。日军在猛烈炮火的掩护下，攻击据守太子岭的第七十九军王凌云的第七十六师阵地，该师抵挡不住，退守馒头山；日军随即跟进，直趋五谷岭，威胁第四十九军王铁汉的第一o五师凤栖山阵地。 中国守军各师不得不协力据守二线阵地以稳定局面。
日军强渡修水河后，军事委员会桂林行营主任白崇禧于二十一日命令第九战区固守阵地，二十三日电令第三战区司令长官顾祝同速派柏辉章的第一o二师进驻南昌以加强防御力量，并调第十六师、第七十九师至南昌东南地区警戒鄱阳湖南岸，策应南昌方面；同时命令罗卓英派出两个师的兵力向日军后方的马回岭、瑞昌、九江、德安等要点进行袭击，切断日军后方交通，阻止日军后续部队增援。但是，中国方面的战场调动，由于通讯不畅、部队行动迟缓和协同意识淡薄等原因，白崇禧的部署最终没能得到实施，而在此期间战场形势已发生急促变化。
二十二日上午，日军第一o一、第一o六师团在第三飞行团主力的掩护下，沿南浔路两侧急促地向南昌推进。二十三日，设在滩溪的罗卓英的通讯中枢被日军炸毁，罗卓英与第十九集团军所属各部失去了联系，导致位于南昌以北防御阵地的中国守军在日军的猛攻下遗弃了大量的火炮等重武器，纷纷撤离滩溪地区。日军第一o六师团主力向南昌东南面的曾家攻击，第一O一师团则向南昌西南面的生米街攻击，其中第一o 一师团的第一o一旅团直冲赣江岸边，南昌已经处于被日军包围的态势中。
在南昌作战中，对中国军队威胁最大的是日军的坦克部队。 由石井广吉中佐指挥的一个战车队，共一百三十五辆坦克，不顾一切地向纵深猛插，比步兵深入几乎两天的行军距离，于二十二日黄昏五时二十分冲到安义，七时四十分冲到乾州圩，九时三十分冲进南昌西面的要地奉新，占领南门外的潦河大桥。日军坦克部队骤然突进，奉新中国守军没有任何防备，在匆忙逃离时丢弃了大量的重装备，包括十厘米加农炮四门、十二厘米榴弹炮三门、野炮三十一门和汽车十辆。
二十三日，当日军前锋出现在赣江边的时候，蒋介石的心情极其矛盾：守可能守不住，就这样丢了南昌，又于心不甘。于是，在萌生放弃南昌的念头时，仍旧要求各部队积极抵抗，下达的命令也因此内容颇为自相矛盾：长沙薛代长官、南昌罗总司令并转熊主席（江西省府主席熊式辉）：此次战事不在南昌之得失，而在予敌以最大之打击。即使南昌失守，我各军亦应不顾一切，皆照指定目标进击，并照此方针，决定以后作战方案为要。希以此意明告各将领，严督所部各向指定目标积极进击，达成任务为要。 中正手令。
日军坦克突击部队在奉新得到燃料补给后，继续向南昌西南方向迂回推进。冈村宁次把预备队第一四七联队加强给了第一o六师团，该师团二十三日攻占南昌西北方向的安义，其第一一一旅团占领南昌西南方向的高安。在阻击中国军队增援的同时，第一o六师团主力由南昌西面的奉新向东，二十五日击溃中国守军第一o二师，二十六日抵达赣江左岸，当日便强渡赣江，从南面迂回南昌，并切断了浙赣铁路。日军第一o一师团主力也于二十六日夜入渡赣江，由西向东突进南昌，其第一O一旅团沿南浔铁路同日抵达南昌西北面的赣江岸边。
鉴于日军全面迂回南昌，罗卓英急忙命令第三十二军沿南浔路回防南昌。二十五日夜，第三十二军军部星夜进入南昌， 但该军主力却在大城一线受到日军第一o六师团的阻击。此时，日军的坦克、骑兵和步兵已分别突入南昌西面以及北面的赣江大桥。面对日军的强大攻势，中国守军于危急时分将赣江大桥炸毁，阻止了这个方向日军的推进。但是，傍晚，日军两个师团的主力利用民船分别从曾家和生米街横渡赣江。二十七日晨，第一o一师团从南北两个方向呈钳形突入南昌城。
在日军攻击南昌的同时，其第六师团攻击的武宁方向，是中国第九战区赣北防御的左翼要点。中国第三十集团军所属的第七十二、第七十八军和湘鄂赣边区挺进军所属的第八、第七十三军部署在修水岸边，由第三十集团军总司令王陵基统一指挥。南昌危机显现时，军事委员会曾计划王陵基部派出有力部队从武宁向东出击，打击向南昌推进的日军的侧背，但王陵基部被第六师团死死地牵制着，未能按计划出击。二十八日，日军第六师团集中力量对武宁发起攻击，中国军队由于伤亡过大撤守，二十九日拂晓武宁陷落。
为了保卫南昌，中国第九战区在南昌周围部署了五十一个师约四十万左右的兵力，另外第三战区还有部分部队参战，而日军的两个师团加上坦克部队，兵力最多也不过五万人左右。南昌东依鄱阳湖，西临赣江，周边多丘陵山地，从军事地理上看易守难攻，冈村宁次的机械化部队只能沿着公路和铁路两侧发挥作用。中国守军本应有优势的地形可以利用，以对日军实施层层阻击，甚至是迂回打击；但是，不到十天，南昌便落入日军之手，这在军事上有点解释不通。