战斗中，欧震军前卫突击队一度接近松浦的司令部，距离不过百米，但因天色太黑，自身伤亡重大，没能发觉松浦。战役结束后，一名日俘供认：“几次攻至师团部附近，司令部勤务人员，全部出动，参加战斗，师团长手中也持枪了。如果你们坚决前进一百米，师团长就被俘或者切腹了。”未能生擒松浦淳六郎，是这次会战最大的遗憾。
万家岭战役，最后关头未能组织强大的力量，彻底歼灭松浦师团，但中国军队表现出机动灵活、组织严密，士兵英勇顽强，不怕牺牲，令日军大为震惊。日军整整一个师团，几遭灭顶之灾，已被废掉武功，在日本陆军历史上前所未有。
薛岳的故交叶挺将军说：“万家岭大捷，挽洪都于垂危，作江汉之保障，并与平型关、台儿庄鼎足而三，盛名当垂不朽。”
万家山战役之后，各路日军突破了中国军队的外围防线，向武汉逼近。这时候，在粤汉铁路的南端，日军对广州的威胁也在加紧。
10月12日，秘密在台湾澎湖列岛集结的日军第二十一军三个师团，在司令官古庄干郎中将率领下，乘坐三百多艘登陆舟艇，在夜幕掩护下，登陆大亚湾，直逼广州。
当时，中国海岸线大部被日军封锁，天津和上海等大港都被日军占领，广州是唯一幸存的海上门户。国外的军火物资，主要是从香港到达广州，再由粤汉铁路运往内地。日军进攻广州，无异于釜底抽薪。
蒋介石得到情报后，在日记中写道：“日寇在大亚湾登陆之目的：一、表示其非达到使中国屈服不可。二、对英国示威，欲使中国不借重英国而向其屈服。三、希望分化广东，不加抵抗。四、至于截断广九铁路之目的犹在其次。”
武汉保卫战正在进行之中，中国军队无力回援广州。广州守军余汉谋的第十二集团军本身兵力不足，而蒋介石又忽视了广东省省长吴铁城的报告，认为日军没有兵力在南方开战，致使余汉谋放松警惕。日军乘虚而入，10月21日攻陷广州，武汉处于日军南北夹攻之中。
日军切断了粤汉铁路，武汉岌岌可危了。
在长江南岸，第二兵团组织六个军，在阳新地区顽强抵抗日军，但战到10月22日，阳新、大冶和鄂城相继失守。24日，日军波田支队推进到距武昌仅三十公里的葛店附近。他们南侧的吉住师团，先后突破了万福麟第五十三军和关麟征第三十二军团的防线，推进到武昌以南的贺胜桥地区，本间师团也同时推进到了咸宁东北地区。
在长江北岸，田家镇要塞陷落后，日军稻叶师团相继攻陷浠水和黄陂。清水喜重第一一六师团的第一一九旅团，也攻占了长江北岸的兰溪，24日已推进到距武汉仅三十五公里的阳逻附近。
在大别山北麓地区，日本第二军占领固始和潢川后，蒋介石的另一支嫡系胡宗南不战自退，让日军进占了信阳。日军筱冢师团派出一支部队沿平汉铁路南下，主力则在平汉路以西，经过应山、安陆、云梦和应城，向汉阳和汉口迂回，协同冈村第十一军进攻武汉。
蒋介石见日军已从东、北、南三面包围过来，便于24日下令放弃武汉。当晚，他和宋美龄乘飞机离开武昌，中途飞机迷失方向，返回武昌，第二天凌晨4点再次起飞，飞往湖南衡阳。临行前，蒋介石下令破坏所有可能被日军利用的设施，这道“焦土抗战”的命令，使武汉整整燃烧了两天。
实际上，早在9月底田家镇要塞陷落后，蒋介石就知道武汉无险可守了，为了保留实力，开始撤离党政机关，疏散城内老百姓。不久，部队也在按计划撤退。长江以北的主力，撤到平汉路以西的汉水沿岸及大洪山区，廖磊集团军留在大别山区，开展敌后游击战。薛岳兵团仍在九江以南抗击日军，并可视情况退往湖南。第二兵团依托幕阜山，掩护西面的粤汉铁路；罗卓英指挥武昌以南金牛方面的作战，掩护各军撤退，整个武汉城区只留一个旅的卫戍部队，作象征性的抵抗。
蒋介石飞走的那一天晚上10点钟，日军先头部队稻叶师团第二十三联队率先进入汉口城区。第二天凌晨5点，波田支队从宾阳门突入武昌。第三天下午，配属于波田支队的日军第十五师团第六十联队占领汉阳。中国军队的武汉保卫战宣告结束，武汉三镇沦陷。
在这次会战即将落幕的时候，中国海军奏出了悲壮的一曲。中国仅存的五十九艘舰艇，在会战之初已被日军炸沉三十艘，另有十五艘自沉，阻塞长江。海军部长陈绍宽，指挥剩下的中山舰与永绩号等九艘舰船，在长江中游布雷，担任长江航道空防和巡逻，往返护送各种船舶航行，用高射炮和高射机枪打击日军飞机。
中山舰舰长萨师俊，是原籍山西的清末海军将领萨镇冰的侄孙。当日军逼近武汉外围时，中国海军司令部迁到岳阳，萨师俊率中山舰经常往返于武汉和岳阳之间，护运军政要员和战略物资，帮助军民转移。10月24日，中山舰奉令开赴距武汉二十六公里的金口。
中山舰刚在金口停泊，东边就传来隆隆声，一架日机在军舰上空盘旋。当它进入火力射程时，萨师俊下令开炮。日机立刻升入云端飞走。原来，这是一架日军的侦察机。