1944年4月17日，日軍華北方面軍司令官岡村寧次指揮第12軍，戰車第3師團、第37師、62師、第110師、獨立混成第7團、騎兵第4團，共5個師團又3個旅、1個飛行團、第1軍和方面軍直屬部隊各一部共14.8萬餘人，在第11、第13軍各一部配合下，強渡黃河以攻占平漢鐵路南段為目標，向鄭縣、洛陽地區發動進攻。

中國第一戰區司令長官蔣鼎文指揮國民革命軍所轄第十五、第十九、第二十八、第三十一、第十四、第四、第三十六、第三十九集團軍，共8個集團軍1個兵團共17個軍約40萬人，及第五戰區第二集團軍、第八戰區第三十四集團軍，在第八戰區和空軍各一部支援下，以第二十八集團軍依託黃河南岸既設河防陣地抗擊日軍；第四集團軍在河南汜水縣、密縣間山區構成防禦地帶，進行堅守防禦；第三十一集團軍集結於禹縣、襄城、臨汝地區，待機殲敵。

4月18日，日軍第37師團配屬獨立混成第7旅從中牟新黃河東岸向第二十八集團軍暫編第十五軍河防陣地發起攻擊。4月19日，日軍第110師團、第62師團由鄭州黃河鐵橋南端向第二十八集團軍第八十五軍邙山頭陣地發起攻擊。突破陣地後，至23日相繼攻陷鄭州、新鄭、尉氏、汜水、密縣。

4月25日，日軍第13軍以2個旅由安徽正陽關、鳳台攻向阜陽，作出向河南漯河進攻態勢，以牽制豫東守軍，打通平漢鐵路後撤回。

4月30日，日軍第12軍以3個師團又2個旅向許昌發起攻擊。守城的新編第29師抗擊至5月1日失守。日軍第12軍旋以一部沿平漢鐵路南進，主力轉向西進，尋找第一戰區主力決戰。第31、第4集團軍予日軍以打擊後，於5月5日、5月6日分別撤往伏牛山、韓城。

至5月9日，西進日軍攻抵龍門附近。隨即以一部進逼洛陽，大部向伊河、洛河河谷進攻。同日，由許昌南進之日軍第27師團，與由信陽附近北上之第11軍宮下兵團確山會師，打通平漢鐵路南段。同日晚，日軍第1軍以8個營從山西垣曲強渡黃河，攻占河南英豪、澠池後，沿隴海鐵路東西分進。至5月14日，與西進日軍擊退第36集團軍和劉戡兵團，包圍洛陽。

5月18日，日軍菊兵團攻擊洛陽，守軍國民革命軍第十五軍配屬第94師依託城防工程，頑強抗擊一晝夜，使敵攻擊受挫。華北方面軍令第12軍司令官指揮第110師團一部、坦克第3師團主力、騎兵第4旅和菊兵團攻擊洛陽。

5月21日，在日軍優勢兵力圍攻之下，負責掩護部隊西撤的第36集團軍司令李家鈺中將陣亡，守軍奮戰至5月25日分路突圍，洛陽失守。在日軍第12軍主力西進後，第五戰區第五十五軍、第十戰區豫南挺進軍等部，向平漢鐵路南段實施襲擊，一度收復確山、漯河等地，以牽制日軍。6月2日，第一戰區主力、第八戰區一部發起反擊，戰至中旬，將日軍逐至陝縣、洛寧、嵩縣、魯山一線，雙方對峙。

1944年5月中旬，日軍6萬占領河南，國民革命軍全線潰敗，日軍花了三週時間，擊潰47萬中國軍隊，到6月初便控制了北平到漢口的鐵路，完成了一號作戰作戰的第一階段，日軍戰史稱為京漢作戰。

1944年5月，日軍第11軍司令官橫山勇指揮所轄第3、第13、第27、第34、第37、第40、第58、第64、第68、第116，及第5、第7、第12、第17獨立混成旅團，共10個師團、4個混成旅、1個飛行團和海軍一部，共20餘萬人，以攻占湘桂鐵路為目標，向長沙、衡陽地區進攻。

中國第九戰區司令長官薛岳指揮第一、第二十四、第三十、第二十七集團軍，及第四軍、第十軍、第三十七軍、第四十四軍、第九十九軍、暫編第二軍，共4個集團軍另6個軍共約40萬人，在空軍、友鄰戰區支援下，以一部依託湖北通城東南山區、湖南新牆河南岸、沅江和益陽地區的既設陣地，節節抗擊，消耗、遲滯日軍；主力分別控制於瀏陽、長沙、衡陽及寧鄉等要地，相機殲敵。

4月27日，日軍以5個師團由湖南華容、岳陽、湖北崇陽沿湘江兩岸和湘贛邊山區分三路發起攻擊，以3個師團集結於湖北監利、蒲圻待機。另以1個團又5個營進至江陵以南松滋河沿岸進行牽制，以掩護軍右翼。防守新牆河的第20軍予日軍中路第68、第116師團以持續抗擊後，轉至湖南平江以東山區待機。防守崇陽東南山區的第72軍、挺進縱隊對日軍左路第3、第13師團逐次阻擊，遲滯其行動。防守益陽的第73軍抗擊日軍右路第40師團。6月1日，日軍中、左路強渡汨羅江，突破河防陣地後，分路向撈刀河、瀏陽河進攻。守軍第37軍採取邊抵抗邊後撤的戰法，撤至瀏陽附近山區待機。至6月14日，日軍相繼攻占沅江、益陽、瀏陽。

6月16日，日軍第34、第58師團、第68師團一部攻擊長沙城區。第4軍堅守至6月18日下午，傷亡殆盡，第四次長沙會戰 - 長沙城失陷。第九戰區為阻敵深入，保衛衡陽，從6月20日起向日軍發起反擊，至6月27日，將日軍左、右路分別阻滯於醴陵、湘鄉；對日軍中路在淥口、衡山間雖給以打擊，但未能阻止其南進。6月24日，日軍第68、第116師團開始攻擊衡陽城郊區之機場，到6月26日時因守軍傷亡過重後撤至衡陽城，日軍在6月27日起對衡陽城進行攻堅。然而衡陽守軍第10軍搶先於五月底進駐此地，並動用當地軍民構築了一定規模的防衛工事，因此日軍進攻時第十軍依託工事以正面和側面火力掩護吸收了日軍攻堅衝力，同時第十軍所屬預十師28團所屬迫砲連成功的炸傷日軍68師團首腦群，包括師長佐久間為人與師參謀長原田貞等一干核心參謀受到重傷，直接導致之後68師團作戰失能，這使得日軍這波攻擊只剩116師團獨立支持，戰至7月2日，日軍耗損過重，暫時停止攻擊等待增援。

7月11日，日軍第68、第116師團經修整後以15個步兵營、12個炮兵營第二次攻擊衡陽。守軍以固守陣地與機動防禦相結合，加強陣地間的互相支援，實施短促近戰和反衝擊，戰至7月20日，迫敵再次停止攻擊。其間，被阻滯於湘東山區的日軍第3師團先後在醴陵、茶陵、安仁遭重創。後在第27師團、第34師團和第13師團一部支援下，戰至月底，始突破圍阻。

8月4日，在成功的擋下國軍解危攻勢後，日軍第11軍集中4個師、28個營第三次對衡陽進行攻堅。被包圍的第十軍進行防衛作戰直到8月7日，在傷亡慘重以及彈盡援絕之下，軍長方先覺與參謀長孫鳴玉、師長周慶祥、葛先才、容有略、饒少偉聯名發出震驚中外的「來生再見」電文。

8月8日，凌晨四時日軍逼近第十軍指揮所，方先覺認為戰事已然絕望，便舉手槍自殺，但為輜重團團長李授光與副官王洪澤奪下，槍響彈虛出。最後敵兵至，軍長與其他師長在日軍有條件投降的勸誘下接受投降並解除武裝，衡陽淪陷。衡陽守軍陣亡4000、傷兵9000、最後日軍統計受降總數有13306人。至於包括外圍攻堅單位的損失總計死傷86752人，失蹤21531人。

1944年8月，日軍侵占湖南衡陽後，為準備進占廣西桂林、柳州，日軍成立第6方面軍，以岡村寧次為司令官，出動第11軍橫山勇第3、第13、第37、第40、第58、第116師團，及戰車、重砲聯隊，共6個師又1個旅，於8月29日由衡陽沿鐵路向湘桂邊界推進；以第23軍2個師團又1個獨立混成旅，於9月6日由廣東清遠等地沿西江向廣西梧州進攻，另1個獨立混成旅由廣東遂溪向廣西容縣進攻。

9月10日，岡村寧次奉命指揮第11、第23軍、第2飛行團和第2遣華艦隊一部，共約16萬人，在南方軍一部配合下，以打通桂越公路為目標，向桂林、柳州進攻。中國第四戰區司令長官張發奎指揮第二十七、第十六、第三十一、第三十五集團軍，及第六戰區孫連仲第二十四集團軍、湯恩伯兵團，共9個軍、2個桂綏縱隊、空軍一部，共約20萬人，在黔桂湘邊區總司令部的3個軍支援下，以分區防禦抗擊日軍。9月14日，日軍第11集團軍攻占全州，隨後調整部署，準備攻擊桂林。9月22日，日軍第23軍陷梧州，至10月11日相繼攻占平南、丹竹和桂平、蒙圩。

第四戰區鑒於全州地區日軍尚無行動，遂調整部署，將所部編組為桂林、荔浦、西江3個方面軍，南寧、靖西2個指揮所，以大部兵力國軍第31軍桂系中將軍長賀維珍部2萬兵力固守桂林，集中一部兵力先擊破西江方面之敵。10月21日，第64軍配屬桂綏第1縱隊向進占桂平、蒙圩之日軍獨立混成第23旅實施反擊；另以第135師等部向平南、丹竹攻擊，策應反擊。戰至10月28日，日軍第23軍主力逼近武宣，中國軍隊遂停止反擊退守武宣。與此同時，日軍第11軍突破桂林、荔浦方面軍的防禦陣地，主力於11月4日進抵桂林城郊；一部向柳州進攻。11月7日第四戰區將3個方面軍編組為左、中、右兵團，集中兵力保衛桂、柳。11月9日，日軍第40、第58、第37師和第34師團一部，向桂林城發起總攻。

同日，日軍第23軍第104師團、第11軍第3師團及第13師團突破中央兵團的防禦陣地，攻向柳州。11月11日，防守桂林城區的中國軍隊撤退，部分在撤退途中被俘，桂林陷落；守軍除第16集團軍副總司令韋雲淞、第31軍軍長賀維珍率一部分幕僚逃出以外，桂林防守司令部參謀長陳濟恆、第31軍參謀長呂旃蒙、第170師副師長鬍原基、第131師第392團團長吳展等以下官兵2400餘人在戰鬥中犧牲。31軍131師少將師長闞維雍拒絕撤退，於陣地拔槍自盡忠烈殉國。據日軍第11軍統計，桂林戰鬥中，中國軍隊陣亡5665人，被俘13151人，被日軍繳獲各種口徑的火炮156門、重機槍110挺、輕機槍359挺、步槍2737枝。

第27集團軍接到戰區11月7日改為中央兵團、固守柳州的命令後，以急行軍於當夜到達指定位置，當即進行防禦部署：令第37軍在象縣以北掩護主力向柳州轉進，令第188師在柳州以北、以東的長塘、東泉各附近掩護柳州側背安全，令第26軍防守柳州，令第20軍控置於柳州西車站附近待機。第26軍以第41師守備柳州東面和北面，第44師守備西面和南面。11月8日，日軍第13師團及第3師團分別進至柳州以北6公里處和柳江東岸，第23軍的第104師團先頭第161聯隊進至柳州南約18公里的四方塘。楊森急令第20軍的第134師在柳州西岸擔任河防，並以一部占領鵝山，以加強防守力量。11月9日，日軍第13師團、第3師團分由柳州以北、以東和東南發動總攻。當日中午，日軍第3師團的第34聯隊由三門江附近強渡柳江，進至西岸；第13師團先頭第104聯隊攻入柳州北部；第104師團先頭第161聯隊第3大隊亦進至柳州機場南側。11月10日凌晨，日軍第3師團第34聯隊與第104師團第161聯隊第3大隊攻占柳州飛機場。美國陸軍航空隊支援戰機30架及桂林機場遭日軍擊毀；堅守柳州城區的第26軍傷亡過半，奉命撤離，柳州失守。隨後，日軍第3、第13師沿黔桂鐵路向西北進攻；第23集團軍沿柳邕公路向西南進攻，11月24日攻占南寧。

11月28日，日軍南方軍第21軍一部從越南突入中國，向廣西綏淥進攻。沿黔桂鐵路進攻的日軍至12月2日攻至貴州獨山，遭黔桂湘邊區總司令部部隊的反擊，撤回廣西河池。12月10日，日軍第21軍與第23軍各一部在綏淥會合。至此，大陸交通線全部打通。日軍傷亡約13400人。

歷史影響：

戰術上日軍在初期訂定戰術正確，因此在整體作戰上幾乎達到成功，就結果而言也達到了一開始預定的作戰目標，但是日軍從開戰時即出現的兵力不足問題在此場全面性會戰中再次暴露，雖然有效打擊了國民革命軍戰力，但是無法有效佔領領土之下最後仍然自行撤出部分地區，而日軍於南路沒有擊潰第四戰區兵力的結果種下隔年湘西會戰日軍慘敗的因子。東北關東軍被抽調，造成東北滿州防守空虛，使蘇俄趁虛而入。

日軍儘管達成作戰企圖，卻無力保障大陸交通線暢通。在日軍發動一號作戰的同時，美軍跳島計畫攻克了塞班島島鏈，在中國的B-29轟炸機、空中堡壘、重型轟炸機，在從中、印起飛空襲日本本土的馬特霍恩行動(Operation Matterhorn)結束後，全部改從塞班島、關島及周圍群島起飛空襲日本本土，因此日軍始終未能阻擋美機空襲日本本土。

重慶國民政府在日軍一號作戰中連番受挫失地的情形，極大程度的損害了美國對以蔣中正為首的國民政府的觀感；史迪威與蔣間在此役之前即惡化的關係更因此達到臨界點，史迪威以此役中國軍拙劣的表現與轄下印度藍迦滇緬遠征軍的精強做對比，直指蔣政權腐化無能是導致戰爭延長之主因，甚至進而主張由其取代蔣擔任中國戰區最高統帥，而蔣也幾近憤怒的要求美方撤換史迪威。在1944年和1945年，一號作戰以及蔣與史迪威將軍間的最後衝突—它導致史迪威被召回國—把國民黨的短處暴露無遺，而中共則恢復了活力，出現在美國人的視線之內，並進行了有限度的接觸。

這場中美指揮權的衝突最後以美方退讓，在1944年底撤換史迪威告終，但美國政界及民間對中國國民政府的印象已轉趨不信任與輕視，一定程度上影響了戰後國共內戰的結果。