南京陷落后，举国震动。１９３８年１月，蒋介石在开封召开军事会议，八路军主要将领朱德、彭德怀、林彪、贺龙、刘伯承等出席。蒋介石在会上说，首都南京失陷了，但中国政府要继续抗战下去。他着重指出，高级将领要有坚持抗战和为国牺牲的决心，并下令逮捕并惩处擅自撤退的山东省政府主席兼第三集团军总司令韩复榘。同时，国民政府统帅部调整战区和战略部署，主要是以屏障华中重镇武汉为核心，开展津浦路方面的作战，力保晋南、豫北，阻敌南下，并保卫广东、福建沿海。在山西方面，国民党军事当局提出“反攻太原”的口号，实际上主要是阻挡日军向晋南、豫北的进攻，防止敌人渡过黄河，打通陇海路，直扑武汉。为此，第二战区司令部编组了以朱德、彭德怀任正、副总指挥的东路军。东路军下辖第十八集团军（欠第一二○师）和第三、第十四、第十七、第四十七军等部，以及山西青年抗敌决死队第一、第三纵队。
日军占领南京后，也调整部署，将作战重心移向津浦路。日军的企图是以南京和济南为基地，从南北两端沿津浦铁路夹击徐州，以实现其连贯南北战场，迅速灭亡中国的计划。１９３８年１月至５月，在第五战区司令长官李宗仁指挥下，中国军队同日军展开以徐州为中心的苏、鲁、皖三省交界地区的作战。周恩来、叶剑英等向第五战区建议，除以新四军、八路军一部配合作战外，在津浦路南段，应以运动战为主、游击战为辅的作战方法，运动于淮河流域，使日军不敢贸然北上；在徐州以北则应采取阵地战与运动战相结合的方针，利用山地的有利地形，守点打援，以达各个击破的目的。李宗仁、白崇禧基本上接受上述建议。这一地区作战的初期和中期，中国军队战略战术运用比较得当，改变了专守防御的战法，有些仗打得比较好。中国将士为保卫徐州，同日军展开了殊死搏斗。３月上旬，防守津浦路要地滕县（今滕州）的第一二二师与敌血战，师长王铭章以下大部官兵壮烈牺牲。这一仗拉开了台儿庄战役的序幕。为确保台儿庄阵地，中国军队调整了部署。３月下旬至４月上旬，中国军队运用阵地战同运动战相结合的战法，在台儿庄地区对孤军深入的日军第十师团濑谷支队和前来增援的第五师团坂本支队，进行英勇顽强的阻击和外线迂回包围。经过数日激战，最终打败进攻之敌，歼灭日军１万余人。台儿庄大捷，是抗战以来国民党正面战场取得的最重大的胜利。中国共产党领导的八路军以及山东、河北人民抗日游击队和工人武装，对津浦路北段、胶济路西段和泰安南北的铁路、公路进行破袭战，炸毁桥梁，拆除路轨，阻滞日军的运输，有力地支援了台儿庄作战。
日军在台儿庄地区战败后，调整进攻徐州的作战计划。４月中旬以后，担任正面防守的中国军队逐渐陷于被动，遂于５月中旬决定放弃徐州，向皖西、豫南方向转移。５月１９日，日军占领徐州。随即，日军沿陇海路西进。１９３８年５月下旬至６月初，连陷商丘、兰封、开封、中牟，准备夺取郑州，造成进攻武汉的有利态势。６月９日，为了阻滞日军前进，蒋介石等下令炸开郑州东北花园口黄河大堤。决堤的洪水虽破坏了日军的作战计划，但同时也淹没了河南、皖北、苏北４０余县的大片土地，形成连年成灾的黄泛区，给广大人民造成极大的灾难。日军统帅部再度调整战略部署，扩编华中派遣军，并调动海军第三舰队，采取沿长江航道及其两岸、大别山北麓等数路围攻武汉的作战计划。
国民政府统帅部为了保卫武汉，于６月中旬决定成立第九战区，并扩充第五战区的兵力。武汉保卫战主要由这两个战区联合进行。第九战区防守长江沿岸要塞和鄱阳湖以西长江南岸附近战略要地；第五战区主力防守江北皖西至鄂豫边境一线大别山地区。
这时，中共中央提出，当前的紧急任务是“保卫武汉，保卫全国，用一切方法削弱敌人，加强自己，克服一切困难与动摇，以持久战最后战胜敌人”。６月１５日和２７日，毛泽东指示八路军、新四军广泛开展敌后游击战争，配合友军作战。为牵制日军的行动，策应武汉作战，八路军广泛出击，有计划地破坏交通线，袭击敌人，共进行大小战斗近千次，歼灭大量敌军，破坏铁路、车站多处。中共中央长江局为动员民众保卫武汉做了大量工作。
武汉会战历时四个多月，战场延及安徽、河南、江西、湖北和湖南等省，是抗战以来规模最大的一次战役。从６月１２日至７月５日，日军先后攻占安庆、马当、彭泽、湖口等沿江要塞。这是日军向武汉进攻的序幕战。７月中旬，日军第十一军主力逐步向鄱阳湖东岸集中，第二军主力逐步向合肥附近集中。武汉外围的作战在长江南北同时展开，交错进行。中国守军进行了英勇的抵抗，但未能阻挡日军的攻势。１０月中旬，日军从东、南、北三面对武汉形成包围，武汉已无险可守。蒋介石决定放弃武汉。１０月２５日，中国守军奉命撤退。此次会战共毙伤敌近４万人，大大消耗了日军的有生力量。它打破了日本政府早日结束战争的企图，使战争形势发生重大变化，成为中国抗日战争由战略防御转入战略相持阶段的转折点。
在华南，日军为切断中国的国际交通线和策应对武汉的攻势，于１０月１２日在广东大亚湾登陆。中国守军（余汉谋的第十二集团军）既疏于防范，又未能对登陆之敌进行有力的抗击。１０月２１日，广州沦陷。
从１９３７年７月卢沟桥事变到１９３８年１０月广州、武汉失守，是全国抗战的战略防御阶段。国共两党及其领导的军队，在合作抗日的旗帜下，协同作战，对日军进行了比较有效的抗击，使日军实力受到比较大的消耗。战争规模的扩大及日本所投入兵力之多，损失之大，大大超出日本侵略者的最初预想，日军在战略上已矛盾重重，日益陷入被动地位。
在历时一年零三个月的战略防御作战中，中国共产党领导的八路军、新四军，以及全国各界民众组织的抗日自卫武装等，对抵抗日军的侵略起了重要作用。特别是随着共产党领导的敌后抗日游击战争的迅速展开，抗日民主根据地的建立，钳制了日军大量兵力，有力地配合和支持了友军的正面防御作战。以国民党军队为主体的正面战场打过一些胜仗，但许多仗打得不好，军队损失很大，伤亡约８０万人。北平、天津、保定、张家口、石家庄、包头、太原、上海、南京、杭州、济南、青岛、徐州、合肥、广州、武汉等重要城市，以及这些城市周围的广大地区相继沦陷。战争初期，军事上敌强我弱，中国丧失一些地方是不可避免的。然而，日本军队推进得如此迅速，中国人民遭受空前严重的损失，却是同国民党统治集团执行片面抗战路线和单纯防御的战略方针分不开的。
