除了日军使用空前规模的毒气，投入大量的坦克突击部队以及进行了各种牵制作战外，中国军队在防御部署和防御指挥两方面的失当应是主要原因。第一是敌情判断有误。第九战区将防御南昌的主要方向，确定在南浔铁路沿线，而日军突击的主要方向则在修水以西，两者距离甚远，中国军队没能考虑到日军机械化部队强大的移动乃至迂回能力。第二，中国军队仍旧沿用观念落后的、事实多次证明一触即溃的一线形防御部署，缺乏纵深阵地，必然导致一旦某一点被突破就绝难填补。
第三，中国军队对日军突击沿途的道路和桥梁没有彻底破坏，这使得冈村宁次投入的坦克快速部队得以蜂拥直入。第四，毫无协同增援意识。南昌四面受敌时，奉命增援的中国第三战区部队第十六师和第七十九师，距离南昌还有数日行程之遥，而第七十四军直到南昌陷落其先头部队才抵达大城附近，致使日军冲进南昌城时真正意义上的守城部队只有两个团。
日军攻占南昌后，沿鄱阳湖东南岸，南至向塘，西在高安、奉新和武宁一线，与中国第三、第九战区部队形成对峙。国民政府军事委员会认为，日军虽然占领了南昌，但消耗很大，尚未整补，于是决定打击突出于九江以南的日军的两个师团，反攻南昌。中国方面动用的部队，是第三战区上官云相的第三十二集团军和第九战区罗卓英的第十九集团军、高荫槐的第一集团军、王陵基的第三十集团军，共计八个军、二十二个师。
二十一日，在南昌战场的西面，中国军队第七十四军主力渡过锦江，分路攻击高安、大城和万寿宫一线的日军阵地；第四十九军一部同时渡过锦江，攻击了大城以东的生米街。第九战区部队反攻南昌的战斗正式打响。
二十二日，中国第一集团军万保邦的第一八四师、刘正富的新编第十师向奉新、靖安以西的日军发动进攻，鲁道源的新编第十一师攻击了靖安北面的滩溪。二十四日，第一八四师和新编第十师占领了奉新四周的要点，把日军围困于奉新城内。新编第十一师则迅速推进到靖安以西的螺丝岭。同时，王耀武的第五十一师于二十三日收复了高安。第二天日军全力反击，高安再次失守，但二十六日第五十一师又把高安夺了回来。
之后，中国军队连续得手：施中诚的第五十七师占领大城和鼓楼铺，刘多荃的第四十九军攻占石头岗、生米街，王铁汉的第一o五师攻占了高邮。日军第一o一师团集结在锦江和赣江交汇处附近，拼死控制高安至奉新之间的公路，以阻止中国军队直接北进攻击南昌。二十七日，各路中国军队继续猛攻，日军顽强抵抗，双方都出现了很大伤亡，但除了第一集团军预备第九师收复了牛行车站外，在赣江以西的其他中国军队只抵达了赣江以西日军各据点之间的地域。尽管进行了艰苦而顽强的攻坚作战，中国军队仍没有达到预定方案中指定的南浔路沿线，没能完成切断南浔路的反攻目标。
第三战区的第三十二集团军以段朗如的第七十九师作为进攻南昌的主力部队，第七十九师于二十二日开始攻击南昌城。二十三日，何平的第十六师和蒋超雄的预备第十师从赣江东岸以及赣粤铁路、闽赣公路两侧向北攻击，击退了当面日军，二十四日占领新村圩和西梁山，然后直趋南昌东南郊。段朗如的第七十九师渡过抚河后，于二十六日抵达冈下、吴村，接着向莲塘发动进攻。预备第五师抵达南昌机场附近后，派出的一支便衣队，成功地潜入南昌城内，在城内到处放火制造混乱，并与守城日军发生激烈的巷战。对于中国军队来讲，攻城的大好形势似乎已经形成。
二十七日，冈村宁次派出海军陆战队紧急增援南昌，第一o一师团则在航空部队的配合下向城外发动反击，双方在南昌周边地区展开了激烈的村庄据点的争夺战。但是，段朗如的第七十九师攻击南昌城的作战却不顺利。日军利用城防工事顽强防守，第七十九师伤亡惨重，不但城池没有攻下来，先前潜入城内的预备第五师便衣队也被日军赶了出来。
攻击南昌城，必须拿下南昌西南方向的莲塘。虽有军长陈安宝的严令，但段师长还是丧失了信心，因为他得到情报，莲塘的日军已增至一个旅团的规模，他认为别说南昌，就连莲塘，他也没有能力攻下来。他向集团军总司令上官云相报告了自己的想法，上官云相大怒，命令他依照命令继续进攻，第七十九师师长段朗如此时犯了一个必定要他付出生命代价的错误：他决定派一支便衣队摸进南昌城，然后谎报说本师已经攻入南昌。
第七十九师的突击队员凑齐了，但突击队队长徐进之却不见了踪影，原来徐进之真的去告状了。他拿着那份段朗如亲手起草的假电报，直接找到了第二十九军军长陈安宝。陈军长主张将段师长作免职处理，但参谋长不同意，向总司令上官云相报告了。此时的上官云相正在焦躁中，因为第九战区第十九集团军部队已经攻到牛行和乐化，而他的部队还没有攻到南昌城。原来那个敢跟自己顶嘴的段师长竟然企图制造对南昌的假占领，简直胆大包天！
段朗如师长接到了左翼预备第十一师的电话，说集团军总司令要到本师师部召集师长会议。段师长去了，发现上官云相根本没来预备第十一师师部，而他自己在那里被逮捕了。尽管有人求情，但上官云相说，不杀段朗如他就不抗日了。五月一日，蒋介石下令，将贻误战机的第七十九师师长段朗如就地正法。
中国军队无法攻占南昌城的趋势已经非常明显。薛岳认为，南昌防御战后部队没有得到补充、武器装备又远远劣于交战对手的中国军队，对据守坚固工事里的日军实施攻坚作战，是不可能实现蒋介石五月五日前拿下南昌的限令的。五月三日，薛岳给陈诚发电，请求陈诚代为向蒋介石陈述他的意见，指出蒋介石严令攻下南昌的命令有悖于“持久抗战”的原则。五月五日，陈诚将薛岳的电报转发给了蒋介石。同一天，白崇禧致电蒋介石与参谋总长何应钦，也委婉表达了蒋介石的限令不可能完成之意。
五月九日，蒋介石下达中止反攻南昌的命令。苦战后的日军也无力反击了。南昌会战结束。中国军队对南昌的反攻违背了战略原则。蒋介石的限令显然严重脱离实际，不仅未能如愿收复南昌，还令攻坚部队再次遭受严重的伤亡。日本战史统计：“据报告，第十一军在南昌战役中的战果是：敌遗弃尸体约两万四千具、俘虏约八千六百名；缴获武器，计火炮约七十门，机枪一百八十挺。我方伤亡，计战死约五百名，负伤约一千七百名。”中国有关战史统计，南昌会战中，除阵亡和被俘官兵外，负伤和失踪的官兵约在万人以上。
如果说南昌会战还有积极意义的话，那就是：自中日开战以来，中国军队始终处在消极防御然后仓皇撤退的局面中，而在南昌会战中，中国军队首次发动局部战役级别的反击作战。尽管反击以失败告终，但中国军队的举动不但出乎日军的预料，也标志着战争形态正在悄然发生着变化。