台儿庄战役之后，日本大本营增兵徐州，对徐州形成合围态势。为保存有生力量，国民政府军事委员会于5月15日决定放弃徐州。尽管徐州失守，但日军为了占领徐州，调动了大批兵力，导致华北等地兵力空虚。深入敌后的中国抗日武装利用这一时机，迅猛发展。
到1938年4月，中国共产党领导的抗日武装，已经在晋冀鲁豫等敌后广阔的土地上，发展出10余块较大根据地。根据地内的各路游击部队，在日军后方不分昼夜、频繁出击，破袭交通线，将日军的大量兵力牵制在守卫交通线和沿途据点上，大大削弱了日军发动大规模进攻的能力。游击队的破袭战甚至让骄狂的日军不得不主动撤出已经占领的城市。占领山西南部的日军第20师团由于交通线被切断，机场不断被袭扰，整个师团补给完全中断，只能靠极为有限的空投或抢掠当地百姓粮食来维持，甚至一度以野菜、树叶和青草充饥。敌后战场有力地配合了正面战场的作战,
1938年5月，日本在经过十个月的大规模侵华作战后，国力日见困难，为了给中国国民政府致命一击，迫使中国投降，以便聚集更多资源推行北进和南进政策，日本决定发起武汉和广州作战。
决战在即，中国从政治、军事各方面进行着准备。一场“保卫大武汉”的抗日救国运动波澜壮阔地开展起来，武汉军民抗战热情空前高涨。为适应战局变化，国民政府军事委员会于1938年6月中旬新编第9战区，同时决定以第5、第9两个战区所属部队保卫武汉，参战部队总兵力近100万人。
1938年6月1日，日军从庐州（合肥）附近南下进攻安庆，武汉会战开始。从6月开始到10月底，中国军队利用鄱阳湖、大别山、幕阜山和长江两岸的山川湖沼等天然屏障，同日军展开一系列的防御作战。
9月下旬，日军主攻集团军司令冈村宁次侦察发现中国军队在万家岭一带出现一个5公里宽的防御缺口，即命令第106师团突入防守间隙，妄图撕裂中国防线。当得知日军孤军深入后，中国军队当即决定聚歼突入之敌。担任正面防守的薛岳第4军根据万家岭一带地形地貌特点，部署成“反八字”阵势，待到9月29日，日军第106师团全部进入万家岭，薛岳马上将“反八字阵”变成“口袋阵”，将日军团团围住。激战至10月9日，日军的核心阵地相继被克，第106师团防御体系不复存在。万家岭之战，中国军队取得歼敌1万余人，缴获辎重无数，生擒日军百余名的辉煌战果。
为了保存有生力量，国民政府决定弃守武汉。10月27日日军攻占武汉三镇。武汉会战结束。
武汉保卫战是中国抗日战争的战略转折点，双方拼尽全力搏杀四个半月，日本几乎动员了其全部机动进攻力量，而中国也集中百万军队参战。此战之后，日本再也无力发动大规模进攻，中国抗日战争转入战略相持阶段。
从1937年7月卢沟桥事变到1938年10月广州、武汉失守，是中国全民族抗战的战略防御阶段，国共两党及其领导的军队协同作战，共歼灭日军近45万人，日本军费支出近100亿日元，人力、物力和财力的消耗都已达到空前程度。
这一时期，中国共产党领导的八路军、新四军同日军作战1600余次，歼敌5.4万余人。八路军、新四军发展到18万余人，开辟了广阔的敌后抗日根据地，总人口达5000万以上，成为华北、华中抗战的中坚力量。
占领武汉后，日军已经无力继续扩大战果。由此，日本被迫放缓甚至放弃南进、北进侵略的步伐。日军在中国骇人听闻的暴行和独霸亚洲的野心也激起西方有识之士的反感和警醒。英美两国对中国抗战的态度，从纵容日本，逐渐转向支援中国。中国共产党领导人毛泽东在1938年指出：中国“不会亡，最后胜利是中国的”。
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