5月17日，菊兵團各部隊全部到達洛陽周圍。兵團長野副昌德決定18日開始進攻洛陽。當天，除城北邙嶺區仍爲第65師防守外，城西、南、東三面日軍均已迫近城垣。在守軍堅強抵抗下，日軍的多次突擊均被擊退，激戰終日，毫無進展。
“華北派遣軍”於20日晚下達命令:“應以目前態勢繼續進攻，並納入第12軍司令官指揮。”
21日至23日，日軍先後攻佔邙嶺區內後洞、上清宮、苗家嶺等各要點，守軍退入城中。5月24日13時，日軍在航空兵、炮兵及坦克支援下，對城垣發起猛攻。激戰約1小時，日軍戰車第3師團及其機動步兵即突破城西北角。17時，第63師團亦突破城東北角。18時20分左右，日軍的坦克衝入城內，中、日雙方軍隊展開激烈的巷戰。第15軍軍長武庭麟下令各部隊各自奪路突圍。黃昏後，大部撤出，未接到命令及未及撤離的官兵仍英勇地進行逐屋爭奪戰。激戰徹夜，至25日8時，日軍完全佔領洛陽。
豫中會戰僅37天，損失了38座城池，日軍即打通了平漢路南段，並佔領了沿線各要點及古城洛陽，擊潰了第一戰區的主力部隊，實現了戰役企圖。第一戰區的軍隊損失嚴重，第36集團軍總司令李家鈺在撤退中犧牲。據事後統計，第一戰區在此次戰役中傷亡軍官817員、士兵18327人，日軍傷亡4000人;據日本防衛廳防衛研究所統計，日軍傷亡3350人，中國軍隊陣亡32290人，被俘7800人。
第一戰區在戰役結束後所作《會戰之檢討》中說:“此次中原會戰，挫師失地，罪戾難辭。”確是事實。爲此，第一戰區司令長官蔣鼎文和副司令長官湯恩伯均被撤職。豫中的失利大大刺激了日本人的胃口，5月23日，日軍第11軍指揮所從漢口推進至蒲圻。
5月25日、26日，日軍第1飛行團空襲長沙，並與中、美空軍在荊門上空進行了空戰。
5月27日，日軍第一線5個師團開始分3路向第九戰區崇陽迄公安、南縣一帶發起全線總攻:東路第3、第13師團於5時首先向守軍第30集團軍第27軍陣地進攻;中路第116師團(欠1個聯隊)、第68師團於21時至24時強渡新牆河，向守軍第27集團軍第20軍陣地進攻;西路第40師團、第116師團的第109聯隊、獨立混成第17旅團的2個大隊以及獨立步兵第5旅團以3個大隊編成的野地支隊均於24時向鬆滋河東岸守軍第99軍第92師前進陣地進攻。
第34師團第218聯隊(針支隊)於20時，在海軍支援及前導下搭乘170餘艘小艇由岳陽南航進入洞庭湖中。迄28日零時，日軍第一線部隊全部投入戰鬥。
日軍發動總攻後，迅速突破守軍第一線陣地，強渡過新牆河，向縱深攻擊前進。戰鬥至6月1日，東路日軍第3、第13師團先後攻佔通城、麥市、南江、龍門驛及平江;守軍新13師撤退至南江以東的幕阜山區，第20軍轉移至平江以南祖師巖附近收容整理。
中路日軍第116師團(欠1個聯隊)及第68師團相繼攻佔楊林街、黃沙街、關王橋，進至汨羅江北岸，乘汽艇南下的第218聯隊則越過汨羅江，攻佔歸義;守軍第20軍退守汨羅江南岸，第37軍留一部兵力防守汨羅江陣地，主力南撤至上杉市。
西路日軍第40師團及獨立混成第17旅團一部、獨立步兵第5旅團主力先後攻佔南縣、安鄉、三仙湖市，進至赤山半島;守軍第100軍的第63師及第99軍的第92師(此時尚屬第六戰區)被迫西撤。
6月2日，軍事委員會致電第九戰區:“飭薛長官轉各總司令、各軍、師長，上下一致，爭取最後勝利。並規定凡命令固守地點，不得擅自撤退，違者照連坐法治處。”
薛嶽準備以第92師、第99師、第77師、第162師分別固守沅江、湘陰、益陽、三姐橋。軍事委員會則令“固守長沙(嶽麓山)、瀏陽、衡陽三要地” 。
同日，日軍第11軍也下令命各師團對汨羅江以南的守軍第37軍、第99軍進行包圍擊殲，並向撈刀河前進，同時將第二線兵團的第34師團和第58師團投入戰鬥 。日軍各師團稍加整頓，即按照軍的命令開始行動。
第九戰區見瀏陽方面情況緊急，急令第183師於6日到達桐木(瀏陽東南約30公里)，令第26軍星夜兼程至萍鄉，策應瀏陽、醴陵方面和作戰。但防守右翼的第37軍僅實施輕微的抵抗，即逐步後撤至瀏陽以東山區;防守左翼的第99軍則仍據守着湘江兩側的青山、喬口、靖港、蘭溪、營田、湘陰、樟樹等據點，頑強抗擊日軍。
日軍第11軍遂下令命西路日軍及中路日軍圍殲第99軍。軍事委員會爲增強湘江以西的防守能力，於****令第六戰區的第24集團軍歸第九戰區指揮。戰鬥至6月8日，西路日軍第40師團攻佔沅江後又攻佔花湖口，迫近白馬寺;守軍第92師及第99軍軍部撤至潙水南岸。
中路日軍第116師團及第68師團均已突破汨羅江防線，進至撈刀河北岸的水渡河、春華山地區;守軍第99師撤至三姐橋附近山區;在第116師團西側新加入戰鬥的第34師團突破守軍的神鼎山、新開市陣地後，到達撈刀河北岸的橋頭;在第116師團與第68師團之間新投入戰鬥的第58師團的主力進至汨羅江以南慄山港附近，其52旅團則西進攻佔了湘陰。
此時，東路日軍第3師團及第13師團已分別進至瀏陽西北的相公寺及瀏陽以東的蔣家埠附近。
6月6日：歐洲登陸日。以艾森豪威爾爲首的盟國大軍登陸諾曼第，對希特勒的歐洲堡壘發動籌劃已久的大攻勢。趙繼統隨即建議暫停攻擊，與德國一起尋求談判解決方案。被東條英機以發出“不祥之音”爲理由，解除了一切職務，扔到了預備役裡。隨即被老單位外務省（趙繼統畢業於外務省在神戶的間諜學校）特聘爲情報司歐洲課課長。