19日晨，日軍第18師團到達增城。中國軍隊與日軍激戰(zhàn)竟日，當晚撤退，增城失陷。20日，日軍第18師團發(fā)動全面攻勢，中國守軍防線被突破，守軍向后潰退。日軍迂回部隊及川支隊進攻從化、花縣，以圖截斷廣州至韶關(guān)間聯(lián)系。

是日晚，第4戰(zhàn)區(qū)在廣(州)增(城)公路兩側(cè)布防，阻擊日軍，將主力撤至粵北的翁源、英德一線，而以一部防守廣州。21日，日軍攻占沙河，并占領(lǐng)廣州市區(qū)。日軍第104師團向廣州以北推進，攻占太平場；23日占領(lǐng)從化。

與此同時，第5師團與海軍配合，于23日攻占虎門要塞；25日攻陷三水；26日又陷佛山，于29日到達廣州南郊。至此，日軍控制了廣州及附近要地。廣州戰(zhàn)役結(jié)束。

此役日軍傷亡1923名。中國軍方記載：中國官兵陣亡2954名，傷5645名，失蹤2643名。

日軍實現(xiàn)了切斷中國由華南接受外援的交通線，以及策應(yīng)武漢作戰(zhàn)的目的。對中國來說，則不僅失去了重要的國際物資補給線，而且影響了全國戰(zhàn)局。

國軍第四戰(zhàn)區(qū)防線北移至粵北一帶，由于廣州被占領(lǐng),粵漢鐵路被打通，再堅守武漢已失去意義，國軍遂撤出武漢。

日軍打通了南北交通線，但同時他們也發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)線過長，已無力再發(fā)動大型戰(zhàn)役。廣州，武漢的淪陷標志著抗日戰(zhàn)爭進入相持階段。