日本中国派遣军总司令畑俊六拟定的“一号作战计划”已经完成了两部分，豫中会战和长衡会战，接下来将是桂柳会战。若日军达成其战略目的，中国将被分为两半，重庆基地有可能被其占领，这也是抗战伊始，赵继统最为担心的日军战略方针。
日军侵占湖南衡阳后，为准备进占广西桂林、柳州，日军成立第6方面军，以冈村宁次为司令官，出动第11军横山勇第3、第13、第37、第40、第58、第116师团，及战车、重炮联队，共6个师又1个旅，于8月29日由衡阳沿铁路向湘桂边界推进;以第23军2个师团又1个独立混成旅，于9月6日由广东清远等地沿西江向广西梧州进攻，另1个独立混成旅由广东遂溪向广西容县进攻。
冈村宁次奉命指挥第11、第23军、第2飞行团(飞机约150架)和第2遣华舰队一部，共约16万人，在南方军一部配合下，以打通桂越(南)公路为目标，向桂林、柳州进攻。
中国第四战区司令长官张发奎指挥第二十七、第十六、第三十五、第二十七集团军，及第六战区孙连仲第二十四集团军、汤恩伯、封裔忠兵团，共9个军、2个桂绥纵队、空军一部(飞机217架)，共约20万人，在黔桂湘边区总司令部的3个军支援下，以分区防御抗击日军。
日军第11集团军攻占全州，随后调整部署，准备攻击桂林。日军第23军陷梧州，相继攻占平南、丹竹和桂平、蒙圩。
第四战区鉴于全州地区日军尚无行动，遂调整部署，将所部编组为桂林、荔浦、西江3个方面军，南宁、靖西2个指挥所，以大部兵力国军第31军桂系中将军长贺维珍部2万兵力固守桂林，集中一部兵力先击破西江方面之敌。第64军配属桂绥第1纵队向进占桂平、蒙圩之日军独立混成第23旅实施反击;另以第135师等部向平南、丹竹攻击，策应反击。
日军第23军主力逼近武宣，中国军队遂停止反击退守武宣。与此同时，日军第11军突破桂林、荔浦方面军的防御阵地，主力进抵桂林城郊;一部向柳州进攻。第四战区将3个方面军编组为左、中、右兵团，集中兵力保卫桂、柳。日军第40、第58、第37师和第34师团一部，向桂林城发起总攻。
同日，日军第23军第104师团、第11军第3师团及第13师团突破中央兵团的防御阵地，攻向柳州。防守桂林城区的中国军队撤退，部分在撤退途中被俘，桂林陷落;守军除第16集团军副总司令韦云淞、第31军军长贺维珍率一部分幕僚逃出以外，桂林防守司令部参谋长陈济恒、第31军参谋长吕旃蒙、第170师副师长胡原基、第131师第392团团长吴展等以下官兵2400余人在战斗中牺牲。
31军131师少将师长阚维雍拒绝撤退，于阵地拔枪自尽忠烈殉国。据日军第11军统计，桂林战斗中，中国军队阵亡5665人，被俘13151人，被日军缴获各种口径的火炮156门、重机枪110挺、轻机枪359挺、步枪2737枝。
第二十四集团军、司令汤恩伯、参谋长封裔忠兵团接到要固守柳州的命令后，以急行军于当夜到达指定位置，当即进行防御部署:令第37军在象县以北掩护主力向柳州转进，令第188师在柳州以北、以东的长塘、东泉各附近掩护柳州侧背安全，令第26军防守柳州，令第20军控置于柳州西车站附近待机。第26军以第41师守备柳州东面和北面，第44师守备西面和南面。