第六战区行动最晚。中国第六战区是在日军占领宜昌后的一九四 O 年七月成立的，所辖部队有长江上游江防军、第二十集团军、第二十六集团军等，共十个军二十七个师。战区当面日军是防守宜昌和当阳的第十三师团、防守当阳以东襄河以西的第三十九师团，还有掩护交通线的独立混成第十八旅团等部队。
日军第十一军发动长沙作战后，第十三师团奉命抽调出早渊支队前往参战，独立混成第十八旅团也调往第四师团原驻地接防。因此，宜昌方向的日军兵力大大减少。第十一军开始长沙作战时，重庆军事委员会命令第五战区所辖的第三十三集团军暂归第六战区指挥，蒋介石连续发出三道电令，督促第六战区趁机把宜昌夺回来，限定发动攻击的时间是九月二十三日。
第六战区的攻击部署是：吴奇伟的长江上游江防军第二、第九十四军和第八军之第五师等七个师作为主力攻击宜昌；周暑的第二十六集团军第三十二、第七十五和冯治安的第三十三集团军第三十九军攻击当阳，负责切断汉宜公路，阻止日军第三十九师团向宜昌增援；冯治安的第三十三集团军第五十九、第七十七军进攻荆门，与第二十六集团军协同作战；霍揆彰的第二十集团军第五十三、第七十三、第八十七军向鄂南的白螺矶、沙市和江陵进攻，切断汉京公路，阻止日军向宜昌增援。各部队开始攻击的时间为九月二十七和二十八日。
但是，直到九月三十日，日军第十一军主力已全面强渡捞刀河，其先头部队早渊支队已接近长沙时，第六战区对宜昌的攻击才正式开始。令人不解的是，一向以情报收集准确及时自居的日军，竟然完全没有获悉中国第六战区将进攻宜昌的情报。即使阿南惟几从宜昌方向调出部队参加长沙作战时，有消息说中国军队正向宜昌方向移动，日军的情报部门仍旧没有任何反应---由此导致“第十一军从长沙返回时，第六战区司令长官陈诚指挥下的约十五个师，为夺回守备薄弱的宜昌蜂拥而来”。
第六战区对宜昌的攻击虽然启动晚了，但行动坚决且果敢。宜昌外围兵力薄弱的日军据点立即陷入恐慌中。在北面龙泉铺地区凤凰观据点，日军第六十五联队正在举行宴会，祝贺第一大队大队长山本义雄少佐升任旅团副官和第二中队中队长高桥东太郎升任大队长。突然，中国官兵冲了过来，整个据点遭到毁灭性打击。在双莲寺地区仙人砦据点里的警备队几乎被全歼。
在宜昌的东部和西部，日军在激战中纷纷溃退。宜昌西部地区是隔着长江俯瞰宜昌的重地，由日军第五十八联队和山炮一个大队防御，中国军队居然在这一方向集结起一百多门大炮，第九十四军的八十四个连在炮火的支援下猛扑过来，攻击的凶悍程度令日军心惊胆战。十月三日晚，中国军队对宜昌形成了包围态势。
日军第十三师团师团长内山英太郎无论如何不会想到，这个老资格的日军师团会陷入如此糟糕的境地。四日，他在部署宜昌最后防御时，发现外围据点已纷纷崩溃，中国军队正从四面八方涌来，而他的手上根本没有部队可以用来防守宜昌城。他组织起一支“宜昌防卫队”，防卫队的士兵都是由没有任何作战经验的各类后勤人员组成。
更令内山英太郎心烦意乱的是，九月四日这天，由东京浅草来的一个演出慰问团抵达了宜昌。无法得知这个演出团是如何通过中国军队的包围圈进入宜昌城的。内山英太郎命令演员们去野战医院护理伤员，可演员们被伤员们的悲惨情景吓坏了，这个命令随即被迫取消。
十月七日，中国军队经过激战，逐渐向宜昌市区压缩，宜昌城内的日军濒临崩溃。 入夜，内山英太郎向第十一军司令部发出紧急求救电报。然后，他给驻扎汉口的日军第三飞行团团长远藤三郎少将写了一封亲笔信，告知第十三师团已经“抱定玉碎之决心”，“务乞”远藤三郎“前来宜昌”以交代“善后对策”。 八日晨，远藤三郎乘坐的轻型轰炸机在宜昌机场降落。他发现宜昌城内的危机远比想象的严重得多。内山英太郎对他说，第十三师团连伤员和后勤人员都上战场了 。
远藤三郎返回后，日军第三飞行团对包围宜昌的中国军队进行了猛烈轰炸，同时开始紧急空运增援部队。八日一天，日军出动作战和运输机六十四架次，九日达到一百二十五架次。这天，当阳方向的日军第三十九师团一部，突破中国军队阻击后急速西进，于下午二时三十分到达宜昌。
中国军队的攻击依旧十分顽强。距离第十三师团司令部仅千米的外围阵地东山寺岌岌可危，中国官兵的前赴后继、昼夜作战极大地挫伤了日军的士气。十日，日军第十三师团师团长内山英太郎绝望了，他作出四项决定：一、烧毁步兵第一 0 四联队军旗；二、烧毁机要、秘密文件。三、决定师团长、幕僚、各部长的自尽位置，做好设备及烧掉尸体的准备。四、致军司令部的最后文电的拟稿 。
师团参谋长秋永力专门指派副官酒井留四郎，在师团长、参谋长都自尽之后，设法携带电文突围出去，争取逃到长江对岸的第五十八联队那里，然后向大本营报告。八日深夜，远藤三郎来到第十一军司令部，见到了刚从岳阳返回武汉的军司令官阿南惟几，“恳切地报告了宜昌的困境”。当阿南惟几听到“第十三师团长及幕僚决心一死”时，断然命令第三十九师团师团长澄田赉四郎指挥江北所有兵力迅速推至宜昌地区，首先歼灭宜昌东侧的中国军队；并命令刚刚从长沙方向回撤的第三、第四师团紧急增援宜昌。
十月十日，“双十节”。凌晨二时，中国军队对宜昌发动了最后的总攻。 天亮后，中国军队第二、第三十二军和第七十五军第十三师等攻击部队，在攻占了宜昌外围最后的几个坚固据点后，一股部队终于从东面突入宜昌城内。内山英太郎将他的师团司令部移到了战壕里。日军的战机疯狂地轰炸扫射，地面部队施放了大量毒气弹，中国突击部队因伤亡巨大又撒到了城外。第六战区紧急调整部署，准备再攻，但此时日军增援部队已经靠近，最先冲进长沙城的早渊支队以连续作战的惊人速度返回，会合了宜昌以东的第十三师团第一 0 三旅团向宜昌突击而来。