１９３９年５月１日，日军按照计划首先向第五战区左集团军的左翼发动进攻。其第３师团由应山附近出发，一举突破第８４军第１７３、第１７４师徐家河以东警戒阵地，继续向西北之郝家店、塔儿湾一线突进，当日占领郝家店。这时，汤恩伯第３１集团军已在桐柏山西南之鹿头等地集结完毕，并以第１３军的第８９、第１１０师占领高城镇附近的主阵地，与第８４军协同作战。日军连续猛攻，并多次施放毒气。双方激烈争夺，阵地失而复得六七次。至６日，日军才在战车部队和优势炮火支援下先后突过塔儿湾、高城一线，但由于中国军队的奋力抗击，日军进展迟缓。
日军第１１军在其第３师团突破第五战区左集团军阵地、将守军第３１集团军牵制于襄花公路方面后，命其主力第１３、第１６师团和骑兵第４旅团向第五战区左集团军发起进攻。在此之前，第五战区江防军和右集团军一部曾向钟祥以南旧口等日军后方要点袭击，破坏汉（口）宜（城）公路和京（山）钟（祥）公路，以求牵制日军主力，但因自己兵力不大，未能破坏日军的进攻计划。５月５日，第１３、第１６师团与骑兵第４旅团从京山、钟祥、黄家集附近出发，向大洪山西南麓至襄河左（东）岸间第５９军的第１８０师、第３８师和第７７军的第３７师猛烈进攻，迅速突破长寿店、流水沟及附近阵地。第５９、第７７军节节抗击，逐次向北转移；原在襄河西岸的部队则渡河增援，侧击日军。但日军在强大炮火掩护下推进甚快，于８日攻占枣阳，将第五战区左、右两集团军割裂开来。右集团军的第１２２、第１８０师向樊城以北撤退，第３７、第３８、第１３２师沿襄河左岸布设新阵地，坚守桥头堡，拱卫襄阳。第五战区长官部则由枣阳迁往老河口。
日第１１军鉴于已冲破第五战区的防御体系、对左集团军已构成夹击之势，便想进一步将左集团军，特别是第３１集团军压缩于随县至枣阳、桐柏山与大洪山之间地区，包围而歼灭之。５月７日，第１１军采取了如下部署：第３师团在突破高城镇、唐县镇中国军队主阵地后向枣阳方向追击；驻信阳的第３师团铃木支队迅速占领桐柏一带，切断中国军队向北的退路；第１３师团进入滚河一线后，向枣阳东北方向迂回，截歼向西溃退的中国军队；第１６师团进入滚河后向双沟方向突进，以一部在白河下游，面对襄阳，掩护第１１军左侧背，并协助骑兵渡过白河；第４骑兵旅团要超越第１６师团，尽快向白河右岸移动，向新野及其以北挺进，切断中国军队向北、向西的退路。第１１军这一部署的主要目的，是想从两翼将第五战区左集团军，特别是第３１集团军合围在枣阳东北山地，予以歼灭。
中国第五战区在查明日军企图后，命令左集团军主力避开正面敌军，以桐柏山为依托，占领侧面阵地，面对随枣盆地，侧击西进与北进之敌，不得已时可向唐河、新野转进；以第３９军和第１３军一部坚持大洪山与桐柏山区，分散配置，进行游击，袭扰敌人；以右集团军在襄河以东的部队竭力进击北进之敌，迟滞其行动。国民政府军事委员会也接连电令第五战区和第一战区：第五战区左集团军第１３、第８４军在枣阳以北占领阵地，协同右集团军侧击向西北推进之敌，不得已时可向南阳和老河口以西地区转移；第一战区第６８军应协同第五战区第３９军占领桐柏山、大洪山游击根据地，袭击日军；孙连仲第２集团军以主力集中新野、邓县间，一部留置南阳，策应第五战区作战；右集团军张自忠部在不得已时可转移到汉水两岸，担任河防，协同江防军阻敌渡河；江防军应派有力部队向汉宜路、京钟路之敌侧击，截断敌后方交通；位于大别山区的第２１集团军应向西攻击信阳附近铁路线，牵制日军。〔４〕
５月９日，日骑兵第４旅团在张家集附近渡过滚河；１０日拂晓渡过白河，当日下午攻占新野。第１３师团一部由枣阳向东北突击，５月９日占领湖阳镇。第３师团铃木支队由信阳向西，５月１０日占领桐柏。日军在攻占上述各地时虽遭到部分中国军队抵抗，但未发现中国军队主力，因此日军第１１军判断第五战区左集团军主力仍留在唐县镇以北的山区内，遂令第３师团由唐县镇向西北吴山、三合店方向追击，第１３师团由枣阳、湖阳镇北向双河方面突进，第１６师团沿唐河左（东）岸向东北行动，阻止中国军队向湖阳镇以西撤退，并企图缩小包围圈，将第五战区左集团军主力压缩于桐柏至枣阳间的狭小区域内。
但在各路日军构成合围之前，第五战区左集团军主力（第８４军、第１３军等）已于５月１０日向北转移，分别到达方城、泌阳，处于日军合围圈以外；第３９军等部则在大洪山内展开游击。日军未捕捉到中国军队主力，便继续向西北追击，于５月１２日攻占唐河、南阳，但遭第五战区地方部队牟庭芳第１２１师（编入江防军序列）和第２集团军的反击，旋又退出南阳，向后收缩。
此时，第２集团军５个师已由河南临汝全部到达南阳、唐河至桐柏一线集结，第五战区乃及时转入反击。５月１３日，战区以第２、第３１集团军向南阳、唐河西南攻击；以第３３集团军主力向枣阳附近地区攻击，与第２、第３１集团军协力，对唐河以南之敌形成夹击之势；以第６８军出桐柏山南麓截击由信阳西进之敌；以江防军一部向京钟路敌之后方攻击。
日军因连续作战２０天，部队疲惫，兵力分散，伤亡消耗较大（日军统计为２４５０人），未能达到捕捉第五战区左集团军主力的目的，在中国军队的反击下，被迫于５月１３日、１４日开始后撤。第五战区利用有利态势，尾随追击和侧后阻击，给日军以重创。其中坚持大洪山游击活动的第３９军，于１６日至１９日在大洪山北侧的长岗店一线占领有利阵地，苦战４天，截歼向应山、安陆撤退的日军第３师团、第１３师团各一部。至５月２２日，第五战区先后收复唐河、枣阳、桐柏，逼近随县。２４日，日军除占领随县县城外，其余均退回原驻防地区，恢复会战前态势。第五战区各部队转入休整。
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