9月，日军决定进攻广州。10月上旬，日军第21军下辖第5、第18、第104师团分别从青岛、上海、大连出发到达澎湖集结待命，企图在大亚湾登陆，攻占广州。中国第4战区第12集团军部队集中部署在大亚湾至广州、珠江东岸一线。9日，日军第21军主力船队出发，于11日晚抵达广东大亚湾。12日凌晨，日军第18师团在大亚湾左面和正面虾涌一带登陆；及川支队在盐灶背登陆；第104师团在大亚湾右面玻璃厂登陆：第18师团一部在虾涌以西澳头登陆后，继向淡水进攻。中国守军抵抗后于当晚弃城撤退。
日军第18师团另一部登陆后即向惠州推进；13日攻占平山；14日占领横沥，并进至惠阳南郊。第104师团登陆后于12日占领平海；13日占稔山、吉隆，到达惠州南面，尾随第18师团推进。14日黄昏，日军以优势兵力向惠州发动猛烈攻击；中国守军第151师稍作抵抗后于当晚撤退。15日，惠州失陷。16日，日军攻陷博罗后，主力向增城突进；及川支队由惠州向广州作大迂回行动。第4战区命令各部向广州附近集结，第65军增防东江。17日，第153师在福田一线击溃日军一个联队，迫使日军退回博罗；独立第20旅在正果击溃日军少数侦察部队。
于是，第4战区决定以第186师固守增城正面，并调集战车、炮兵支援；以第153、第154师从右翼，独立第20旅从左翼合围日军，企图将日军聚歼于增（城）博（罗）公路间浮罗山下。19日晨，日军第18师团到达增城。中国军队与日军激战竟日，当晚撤退，增城失陷。20日，日军第18师团发动全面攻势，中国守军防线被突破，守军向后溃退。日军迂回部队及川支队进攻从化、花县，以图截断广州至韶关间联系。是日晚，第4战区在广（州）增（城）公路两侧布防，阻击日军，将主力撤至粤北的翁源、英德一线，而以一部防守广州。21日，日军攻占沙河，并占领广州市区。日军第104师团向广州以北推进，攻占太平场；23日占领从化。与此同时，第5师团与海军配合，于23日攻占虎门要塞；25日攻陷三水；26日又陷佛山，于29日到达广州南郊。至此，日军控制了广州及附近要地。广州战役结束。
此战，日军实现了切断中国由华南接受外援的交通线，以及策应武汉作战的目的。对中国来说，则不仅失去了重要的国际物资补给线，而且影响了全国战局。
