十月十二日信阳失守，李宗伟电令胡宗南自信阳南撤，据守桐柏山平靖关，以掩护鄂东大军向西撤退。然胡宗南不听命令，竟将其全军七个师向西移动，退保南阳，以致平汉路正面门户洞开。胡宗南部为蒋先生的“嫡系”部队，在此战局紧要关头，竟敢不遵命令，实在不成体统。胡宗南的擅自西撤，差点要了李宗仁的命。当时李宗仁率战区司令长官部刚撤至平汉路花园站以西的陈村，突然发现正面的胡宗南部不知去向，于是急调附近覃连芳的第八十四军和刘汝明的第六十八军来武胜关和平靖关，以填补胡宗南的防线。
但是，大军全线撤退之时，司令长官部根本联系不上覃连芳，刘汝明部也已经跑到了应城。焦灼万分的李宗仁“惊觉战况不好，在陈村可能有危险，遂披衣而起，将随从叫醒，命令通知长官部同人速即整装，向西移动”。——他们离开陈村两个小时后，日军骑兵就冲进了村庄。
最后撤离武汉的，是中国第九战区守城部队第一八五师。撤退前，官兵们完成了对城内重要军事设施的破坏，并掩护仅剩的一些政府机关人员渡过了长江和汉水。蒋介石离开武汉的第二天，日军第六师团在几乎没有遭遇抵抗的情况下，主力占领汉口北郊的戴家山阵地，其先头部队直接冲进了汉口。波田支队得到第十五师团第六十联队的增援，在海军第三舰队的配合下，从阳新向北进攻武昌。二十四日，击退中国守军第九十四军第五十五师的阻击后，波田支队占领武昌东面的葛店，先头部队于二十六日凌晨冲入武昌。二十七日，日军第十五师团主力从武昌渡过长江攻占汉阳。至此，武汉三镇全部沦陷。
只是，日军占领的武汉乃是一座空城。日军占领武汉后，第十师团、第九师团、第六师团第十一旅团兵分三路南下攻占岳阳。至此，与中国第九战区部队隔着赣西北之修水、湘东北之新墙河形成对峙。武汉会战历时四个半月。为了攻取中国武汉，日本动用了当时能够集结的最大兵力，初期投入作战的兵力约为二十五万，会战期间又数次补充，最后投入的总兵力约为三十万。日军最大限度地发挥了其海陆空装备上的优势，苦战数月，最终却没能达到围歼中国军队主力的预期目的，自身却损失严重。
综合各方史料估算，武汉会战期间，中国军队阵亡、负伤、染病、失踪的官兵人数约在十八万以上。早在武汉会战开始前，中国方面便确定：用顽强的外围作战逐渐消耗日本的国力和军力，以求达到在抗战初期的某一阶段，将日本国力和军力消耗到无法发动更大规模战役的目的。可以说，武汉会战基本上达成了这一作战目的。
武汉会战后，为调整战略部署并总结作战经验教训，十一月二十五日至二十八日，蒋介石在南岳主持召开了第三、第九战区司令长官、军团长、军长、师长等百余人参加的军事会议。中国共产党方面周恩来和叶剑英也出席了会议。 蒋介石要求参加南岳军事会议的所有将领“明责任、知耻辱、识时势、知彼此”，完成整理军队、建立军队之任务，提高军队作战素能，增强军队的作战能力，从而“确立第二期抗战胜利的基础”。
日军占领岳阳后，并没有显出继续南下攻占长沙的迹象。但是，十一月十三日凌晨时分，长沙城内突然不明原因地燃起大火---不是个别地方失火，而是全城一片火海 。长沙的大火烧了三天三夜。市民被烧死达两万余人，房屋被焚毁五万余栋，原有四十二万人口的长沙城成为一片废墟。令人不解的是，长沙遭此浩劫，原因竟然不明。
长沙属于中国第九战区，战区司令长官为陈诚，而湖南省政府主席是张治中。军事和行政最高长官对于长沙大火起因说法不一。张治中说，这是一个“意外的、突发的灾变”；而陈诚则说：“寇军于十一月十二日晚，侵入岳阳南方之新墙河畔，适于此时，汨罗与长沙间之电话一时中断，张治中心里先就慌了。后来又听错敌抵新墙河之情报为敌抵新河---新墙河属岳阳，新河属长沙，两者南北相距二百余里……”陈诚认为，正是这一字之差，导致了张治中判断失误。只是，没有任何史据证明陈诚所说是真。
中国军队放弃武汉后，日军南下进入湖南北部。国民政府军事委员会预计日军会攻占长沙，遂决定以南岳衡山为防御中心，并吸取武汉撤退时破坏不彻底的教训，先期制订了“焦土抗战”的原则，以备放弃长沙时不留一草一木资敌。为此，从十一月一日开始，张治中便开始动员市民疏散，并决定将省府迁至沅陵、市府迁至邵阳。七日，蒋介石在长沙召集军事会议，检讨了放弃武汉时没有做到将城市彻底破坏的原因和后果，同时强调一旦日军兵临长沙要不惜一切将全城焚毁。
军事会议结束后，张治中召集秘密会议，商讨了长沙如何焚城事宜。十一日晚，日军占领岳阳的消息传来，长沙城内一片恐慌。十二日上午九时，张治中接到委员长侍从室副主任林蔚的电话，说“我们对长沙要用焦土政策”，紧跟着蒋介石的电报就到了：限一小时到。长沙张主席。密。长沙如失陷，务将全城焚毁，望事前妥密准备，勿误！ 中正文侍参。张治中立即决定：焚城事宜由长沙警备司令酆悌负责，省保安处长徐权协助。中午，陈诚来到省府会晤张治中，两人在焚城一事上统一了意见。下午四时，警备司令酆悌拿出制订好的焚城方案，张治中嘱咐：待中国军队自汨罗江撤退后再下达焚城命令，届时先放空袭警报再放紧急警报，以利还没撤离的市民紧急躲避。
但是，到了晚上，张治中发现，不但逃难的人流充斥于出城大道，而且警察局里竟然也没人了，街上所有的岗位都没了警察的踪影。张治中立刻给警察局局长文重孚打电话，限他两个小时内恢复所有的岗位职守。可是，凌晨时分，当张治中想叫上文局长一起去城内巡查时，发现警察局的电话断了，副官告诉他，警察局的大门已经用竹板钉起来了。