沿长江北岸进攻的日军在侵占广济后的下一个目标便是田家镇。
田家镇要塞位居九江以西数十公里处，系长江北岸的一处重要江防要塞，地势险要，此处江面甚窄，长江两岸三山并立，互为犄角，易守难攻，被视为长江屏障武汉的重要门户之地。历史上，三国时期东吴军队、清朝太平天国军队都曾在此横江锁道，与魏军、清军大战。
蒋介石曾就田家镇的防卫作战准备工作强调说，"田、富（位于田家镇对岸）要塞为大别山及赣北我主阵地之锁钥，乃五、九战区会战之枢轴，亦武汉最后之屏障。其地位重要，勿待多言。而崇山对峙，江面狭窄，复有相当工事及备炮，徇我国最坚之要塞。查各该部乃国军精锐，其各激发忠勇，以与要塞共存亡之决心，积极整备，长期固守，以利全局，以扬国威，并晓谕官兵共体兹意"，并私下与人言及，"这多年我待李吉甫（李延年字吉甫）不薄，相信他一定会用命死战的"。
国民党军队在要塞可谓重兵把手。第11军团长兼第2军军长李延年率第9师、第57师及要塞守备部队负责担负整个防守任务，其中以第57师担任对东南正面防守，以第9师担任对北、西正面的防守。
日本大本营也深知田家镇在此次"汉口作战"中的重要价值，对其垂涎已久。担任主攻方向最高战地指挥官的冈村曾对部下声称："我作为军司令官，最大目标就是攻占武汉。早年，我曾屡次前往中国进行有关军事要地的调查，从而深知田家镇要塞对于进攻武汉的重要地位。"
日军进攻主力为重新编组后的今村支队，内含今村胜次少将指挥的步兵第13联队、独立山炮兵第2联队主力、辎重兵第六联队第2中队、卫生队三分之一及野战第一医院等。
但冈村也明白中国军队势必在田家镇依托险要据守，因此除调集陆军精锐兵力外，也强调陆海空诸军种的配合作战。
日军的基本战术是两面夹击。从广济出发自北向南攻击田家镇侧后方为一路，由第6师团主力及第3师团一部承担，自西向东，沿江而上攻击田家镇正面为另一路，由波田支队以及实施登陆作战的海军陆战队在江面炮舰支援下承担。
战斗于9月15日开始，日军的推进速度甚慢，加以自17日开始连续数天的大雨恶劣天气，日军地面进攻部队无法得到空中飞机的有效支援，通信联络和地面交通运输也遇到很大困难，再加上中国军队抓住战机，不断从侧背实施袭扰攻击，今村部队很快陷入苦战之中，人员伤亡剧增，弹药、医药、给养供应紧张。
在9月19日日军对第2军主阵地的攻击作战中，战况尤其激烈。据曾亲身经历此战的该军主力第9师一名军官回忆，"第9师整个阵地上硝烟弥漫，血肉横飞，真是惊天地，泣鬼神。我英勇官兵奋不顾身，与敌血战两昼夜。许多负伤的官兵，裹伤后继续坚持战斗。阵地被敌炮火摧毁了，就利用弹坑作掩护，继续战斗。弹药用尽了，就与敌人进行白刃战。第53团下士班长时克俊，在与敌肉搏时，和敌人扭在一起，被敌人咬掉左耳，他奋力用双手卡住敌人的咽喉，将敌人卡死……"、"我师53团一少尉排长袁次荣，在弹药用尽，全排士兵阵亡的情况下，眼看他的阵地被敌人攻占，他把手榴弹集中在一块儿向敌人投掷，炸死炸伤数十人。最后，袁排长把唯一一颗手榴弹抱在怀里，拉断导火索，轰地一声，袁排长顿时血肉四溅，他就这样为中华民族献出了宝贵的生命。。。进攻的敌人，一个个惊得目瞪口呆。战斗惨烈进行，持续了8昼夜，第25旅旅长杨宝珏负伤，但我军主阵地及要塞仍未被敌人攻占"。
最终，第9师在付出官兵重大伤亡的情况下，坚守阵地长达10余天。
9月20日起，第6师团连续两次派遣兵力增援今村支队，但都被中国军队顽强阻挡住，直到24日以后天气转晴，日军飞机重新活跃起来，江上日军舰船也加入支援行列之后，日军进攻部队状况才略有改观，今村支队与增援日军陆续会合。
是日，由于防守田家镇对岸富池口要塞地域的个别中国守军指挥官作战意志不坚决，心存危敌自保情绪，致使要塞陷落，田家镇整体防御体系出现裂痕，田家镇的正面与东面完全暴露于敌前，战局出现恶化迹象。
面对新的变化情况，守军战地指挥官没有及时调整部署，依然按照原定计划分兵防守，最终导致了不利局面的发生。此战结束后，第5战区右兵团总指挥李品仙曾请示国民政府军事委员会，"查田家镇要塞失守原因颇多，李延年应负相当责任"而请求予之以严处。但由于李延年系黄埔一期出身，一贯对嫡系偏爱有加的蒋介石最终对此不了了之。
26日开始，双方交战进入白热化。日军以空中、水上火力猛烈轰击要塞地区长达数小时。而中方第48军则趁敌稍有懈怠之机，将象山阵地激战夺回，第55军、第7军在北线的反击也颇有斩获。
当日，实力得到补充增强之后的今村支队也继续展开对田家镇要塞主阵地的进攻，我鲁家山、黑家山阵地在敌军改以夜间强袭战术之下相继失守，田家镇外围防御体系大部被击破，日军前锋已达要塞防御体系的核心地带。
27日，日军开始向中国守军黄泥湖至马口湖之间的主要防御阵地体系发起攻击，并突破防线，占领了星家山阵地。坚守该地的中国军队一个团兵力苦战到最后，仅余数十人。
28日，日军在70余架空中飞机、包括江上炮舰在内的数百门大小火炮以及海军陆战队登陆作战的支援下，从东南和东北两个方向对田家镇展开进攻，双方激战。日机悍然投下各型炸弹1500多枚，给缺乏有效防空火力掩护的中国守军造成很大损失。
尽管如此，各处阵地上的中国守军克服连续作战、得不到上级有效补给和支援的种种困难，拼死抗击，常常战至伤亡殆尽，阵地才告易手。其中，负责防守要塞核心阵地的龙子育团长中弹殉国，全团伤亡惨重。
战至下午，田家镇已陷入敌三面炮火之中，除阳城山、演武山、南山、牛关庙等要塞周围要点失去外，日军还占领了田家镇要塞的最高峰玉屏山。激战中，要塞守备司令海军梅一平少将与炮台总台长等人坚守炮位，相继阵亡。
到晚上，日军利用黑暗掩护，猛冲田家镇等地，致使守军防御体系被冲乱，彼此失去联络和协同，敌我混战在一起。
蒋介石在了解到战局最新状况之后，于29日凌晨电示，"转移兵力，巩固北方正面，11军团调上巴河整理"。李延年所部根据指令，开始组织残部陆续转移，并以第57师一部兵力强占马口隘路，掩护主力撤离。田家镇于该日上午11时终告不守。
尽管蒋介石早在8月就指示，"田家镇要塞须作固守两月以上的准备"，但结局却与之大相径庭。田家镇要塞及其附近地区落入敌手之后，向西直至武汉中国守军已难以找到很好的防御屏障体系了，因此此战对会战的影响是深远的，某种意义上意味着武汉会战最困难时期和最后阶段的提前来临。
此战中国守军损失严重，并且丢失要塞时间比预定要早，但客观上也确实阻击了日军向武汉方向的进攻，延缓了其作战进程，同时也予敌以大力杀伤。据日军文件，"今村支队的损失甚重，第六师团9月30日的电报，有如下的报告：截至现在查明我方损失为，战死284名(内将校7)，负伤866名(内将校15)，合计1150名；预料还要增加(主要是步兵第13联队)"。
战后统计，此战日军死伤共计约达万人之数。
日军在黄梅、广济、田家镇一线大别山南麓战场的一系列战斗中，元气大伤，西进步伐明显放缓，正如一名日本海军少将战后所承认的那样，"日军对打通蘄（春）广（济）公路预期很短"，但由于"不断遭到中国军队的顽强抵抗，结果进展不大，拖延了时间。日军前线军官曾产生顾虑，蘄广战线的激战程度与地形的复杂性，是超过日军预料的"。最终，日军直至10月下旬方才重新展开进攻占领上巴河地域。
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