國軍在臺兒莊戰役取得大捷后，日軍重新進行部署，改以部分兵力在正面牽制，主力則向西迂回，意圖從側后包圍徐州。蔣介石也陸續調集各路國軍增援第五戰區，集結60萬大軍于徐州附近，希望堅守徐州，并在臺兒莊大捷的基礎上進一步圍殲日軍。1938年4月7日，日軍大本營下令攻取徐州，徐州會戰開始；18日，兩路日軍分別從山東嶧城和臨沂西北的義堂地區南進，對守軍發起牽制性進攻，國軍頑強抵抗，至月底，將日軍阻止在韓莊、邳縣和郯城一線。5月5日，日軍開始從南北兩個方面向徐州西側迂回包圍，國軍力戰不敵。至5月16日，南北日軍會師碭山，完成了對徐州的合圍，60萬國軍處于四面受敵的險境。

1938年5月15日，國府最高軍事會議決議放棄徐州，以擺脫不利態勢，保存抗戰實力，避免全軍覆沒。5月16日，李宗仁奉命指揮第五戰區國軍化整為零，分五路向豫、皖邊界山區突圍。5月19日，日軍占領徐州，打通了津浦線，截斷了隴海線，成功的將南北戰場連接起來。接著，日軍又以三個師團沿隴海線西犯，6月6日占領開封，逼近鄭州。為阻止日軍的進一步西進，蔣介石以“焦土戰”之策略，于6月9日下令炸開鄭州東北花園口黃河大堤，泛濫的河水一路南下，截斷隴海線，阻止了日軍的前進，使之被迫向黃泛區以東地區撤退，徐州會戰由是結束。

但是，蔣介石自決黃河大堤并沒有淹死一個日軍，反而奪去了十幾萬中國百姓的性命，造成百萬人無家可歸，中共因此歷來以此事譏諷、攻擊國府。不過，從整個抗日戰局來看，以黃河泛濫阻止日軍，遲滯其進攻速度，還是有利于后來的作戰的。

自南京陷落后，國軍指揮中心便設在了武漢，因此在徐州會戰后，武漢就成了日軍的下一個進攻目標。日軍在1938年5月占領徐州后，決定先以一部分兵力攻占了安慶，作為進攻武漢的基地，然后以主力沿淮河進攻大別山以北地區，由武勝關攻取武漢，另以一部沿長江西進。后因黃河決口，日軍被迫中止了沿淮河主攻武漢的計劃，改以主力沿長江兩岸進攻。6月初，日軍海陸空25萬人開始向武漢方向進攻，國軍第五和第九戰區也組織了100萬人進行防御，武漢會戰打響。

6月12日，日軍攻占安慶；13日占領桐城。7月初，日軍在江北占領了太湖、望江以東，在江南占領了江西湖口以東的長江沿岸地區。7月4日，日軍重新調整部署，集結海陸空共35萬兵力，飛機500余架，艦艇120余艘，從江北、江南和大別山北麓三個方向會攻武漢。

長江南岸日軍于7月23日在九江以東登陸，26日攻占九江，繼續沿長江西進。8月10日，日軍進攻瑞昌，24日占領之，隨后兵分兩路繼續進犯。經過持續一個多月的鏖戰，至10月底，日軍已經逼近武昌。就在西進日軍進攻瑞昌的同時，另有日軍一部從九江沿南潯鐵路南犯，遭到當地國軍的頑強阻擊，進攻勢頭受挫。8月20日，日軍援軍從湖口橫渡鄱陽湖增援，突破國軍防線，意圖兩路會師，奪取南昌。國軍兵團司令薛岳率軍與敵在德安以北的隘口、馬回嶺地區激戰，雙方成膠著狀態。9月底，日軍孤軍深入，進至德安西面萬家嶺地區，薛岳指揮部隊從側后迂回，將其包圍，日軍增援部隊也在萬家嶺西面白水街地區被國軍擊退。10月7日，國軍發起總攻，激戰三晝夜，多次擊敗日軍反撲，日軍因孤立無援，補給斷絕，戰至10日大部被殲，此戰即萬家嶺大捷。

長江北岸日軍于7月24日從安徽潛山向太湖進攻，突破國軍防線，至8月3日，先后攻占太湖、宿松、黃梅等地，繼續西進。隨后，國軍以主力進行反攻，至8月23日先后收復太湖、宿松。然而，相對會戰全局，國軍仍是敗多勝少，戰至9月17日，廣濟、武穴相繼淪陷，29日，田家鎮要塞失守。10月19日，日軍攻陷浠水，24日又占黃陂，直逼漢口。

在大別山北麓地區，國軍進行了嚴密的防御部署，并于8月下旬與分南北兩路來犯之日軍交火。9月17日，南路日軍攻占商城，守軍向南撤退，憑借大別山各要隘，頑強抵抗。至10月24日，南路日軍逼近麻城。北路日軍在8月28日攻占六安后，強渡淠河和史河，于9月6日進占固始，繼續西進。9月19日潢川失守，21日羅山陷落。隨后，繼續西進的日軍在信陽以東地區遭國軍反擊，被迫撤回羅山，在得到增援后，又向信陽發起進攻。10月6日，日軍一部迂回信陽以南，攻占平漢鐵路上的柳林站，12日信陽失守，日軍沿平漢鐵路南下，兵鋒直指武漢。

至1938年10月中下旬，日軍已完成對武漢的三面合圍，蔣介石為避免國軍主力遭圍殲，于10月24日下令放棄武漢。10月25日，國軍撤離武漢，日軍遂于26日進占武昌、漢口，27日占領漢陽，武漢會戰結束。

在武漢會戰期間，為牽制國軍兵力，切斷中國海上交通線，并南進建立軍事基地，日軍大本營決定攻占廣州。10月9日，日軍從臺灣調兵，自澎湖列島之馬公島出航，于12日在廣州大亞灣登陸，擊破國軍防御，先后攻陷淡水、惠陽、博羅、增城，21日占領廣州。此外，日軍還由海路攻占了虎門、佛山、三水等地。

從“七七事變”到廣州、武漢失守的一年零三個月，是中國抗日戰爭的第一階段——戰略防御階段，也叫全面爆發階段，初期抗戰，而武漢會戰則是這一階段中規模最大、持續時間最長、殲敵最多的一次會戰。通過這一年多的戰爭，雖然國軍損失慘重，國土也大量淪喪，但日軍的有生力量也被大大消耗，其速戰速決，三月亡華的戰略目的因此流產。此后，抗戰進入第二階段——戰略相持階段，或叫第二期作戰、苦撐待變階段。

占領武漢后，日軍繼續南下，于11月11日攻陷岳陽，并派飛機不斷轟炸長沙。11月12日，蔣介石電令湖南方面在日軍進攻長沙時焚燒市區，實行焦土抗戰。同日9時許，蔣介石又密令湖南省主席張治中、長沙警備司令酆悌、警備第二團團長徐昆、長沙警察局局長文重孚執行指示。11月12日夜，長沙軍警縱火燒城，大火直到14日才熄滅，全城基本被焚毀，平民死亡兩萬余人，財產損失不計其數。可是在大火之后，日軍并未立即進攻長沙，國府行為因此激起長沙民憤，遭到全國各界的強烈譴責。為安撫局勢，蔣介石下令將酆悌、徐昆、文重孚三人槍決，并處分了湖南省政府主席張治中。

1938年11月25日，國民政府軍事委員會在湖南南岳召開軍事會議，即第一次南岳軍事會議，中共代表周恩來、葉劍英等也應邀參加。會議在蔣介石的主持下著重從軍事角度檢討了過去抗戰的得失，判斷了當時戰爭的形勢，確定了以后第二期抗戰的軍事戰略方針，并據此調整了部署。按照蔣介石的劃分，抗戰分為兩個時期：從“七七事變”到日軍占領武漢、岳陽為止，是抗戰的第一時期，此后屬于抗戰的第二期，即“我們轉守為攻，轉敗為勝的時期”。軍事委員會對第二期抗戰所制定的方針是：“連續發動有限度之攻勢與反擊，以牽制消耗敵人，策應敵后之游擊戰；加強敵后方之控制與襲擾，化敵后方為前方，迫敵局促于點線，阻止其全面統制與物資掠奪，粉碎其以華制華、以戰養戰之企圖；同時抽調部隊，輪流整訓，強化戰力，準備總反攻。”。按照戰爭形勢的變化及新戰略方針的要求，南岳會議重新劃分戰區，調整部署，將全國劃分成第1、第2、第3、第4、第5、第8、第9、第10戰區，敵后新設魯蘇和冀察戰區。

1939年1月21日，國民黨五屆五中全會在重慶召開，會議改組國防最高會議為國防最高委員會，國民黨總裁蔣介石兼任國防最高委員會委員長。國防最高委員會除代行國民黨中央政治委員會的職權以外，國民黨中央黨部的各部門、國民政府五院、軍委所屬的各部門均受其領導，它是抗戰時期國民政府的最高決策和最高權力機構。在抗戰問題上，五屆五中全會堅持了繼續持久抗戰的立場——武漢會戰后，雖然日本改變了侵華策略，著重從政治上進行誘降，而在中國國內，尤其是國民黨內，妥協求和的空氣也再度上升，但是蔣介石卻堅定的反對對日妥協，批評了對日和平的傾向，當然也并未完全排除與日本談判求和的可能性，只是時機和條件的問題。在中共問題上，國民黨制定了“溶共、防共、限共、反共”的方針，并設立“防共委員會”。