1944年春，日军华北方面军在深感兵力不足、难以维持占领区的情况下，进一步调整部署，抽调兵力向豫北集结，进行豫中作战前的准备。在豫中方面,首先抢修黄河铁桥，重建邙山头据点，并将平汉铁路北段由小冀修复至黄河北岸。至4月初，日军先后从东北和华北地区抽调兵力，包括4个师团、4个独立旅团、1个坦克师团和1个骑兵旅团，共计约15万人，由华北方面军司令官冈村宁次指挥。至4月中旬，日军第62、第110、第27师团、坦克第3师团及独立步兵第9旅团集结于博爱以东、新乡以南黄河北岸地区，第38师团、独立混成第7旅及骑兵第4旅团，集结于开封附近地区，第69师团、独立混成第3旅团集结于垣曲地区,并将郑州以北黄河大铁桥完全修复。为配合豫中作战，日军另以主力位于湖北、湖南北部、江西中部和北部的第11军独立第11步兵旅团由信阳北犯，沿平汉线南北对进，分路向豫中进攻。
中国方面，第一战区在汜水、广武、郑州、中牟、尉氏河防一线和许昌、遂平之平汉铁路沿线以及密县、临汝、襄城、洛阳等纵深地区，部署有8个集团军共17个军，总兵力约为30万。第一战区在察觉日军的大规模进攻企图后，进行了一定的准备。计划以沿河防及平汉铁路线地区构成守势地带，凭借据点工事阻击日军，以纵深地区构成攻势地带，待机向深入豫中之日军实施反击。由此看来，在豫中会战中，中日双方的兵力之比大约为二比一，而且第一战区没有像日军一样的机械化部队，反坦克武器更是少得可怜，所以，在地处平原的豫中与日军机械化部队作战，第一战区并不占优，反而处于劣势。
1944年4月17日夜，中牟方面日军第37师团及独立混成第7旅团首先从三王、中牟、傅庄强渡新黄河，与第一战区守军展开激战，至18日凌晨，日军渡过黄河，向第一战区守备河汜的暂15军发起猛烈进攻，经激战后突破暂15军阵地，分路向郑州、新郑、尉氏、浦川等地突进。4月21日，日军攻陷了新郑、尉氏，暂15军及其他守军部队退守许昌西北地区，4月24日，密县失陷，中国第85军转守西部山区，阻击日军进攻。4月25日，日军第110师团攻占虎牢关，守军第96军一部退至巩县，日军第12军主力在新郑以南地区集结，作下一步进攻的准备。
1944年4月27日，日军第12军下达了进攻许昌、郾城及向左迂回的作战任务：以第62师团进出至许昌西南颍桥镇一带，阻截守军向西南山区撤退和由西南方向向许昌增援的通路，尔后准备向禹县进攻；以第37师团从北、西、南3个方向攻击许昌城，尔后以主力向舞阳进攻，以1个联队归第27师团指挥，向郾城方向追击，占领郾城后，留1个大队守备，主力归建；以第27师团在攻占许昌后指挥第37师团的1个联队攻占郾城，与第11军派出北上的部队会合后转归第11军指挥；以独立混成第7旅团由东面攻城，攻占许昌后留一部兵力守备许昌，主力准备向禹县前进；令骑兵第4旅团在许昌战斗后进出至北舞渡附近，准备沿旧县、宝丰向临汝前进；以战车第3师团以2个中队配属第37师团攻城，主力在攻占许昌后准备向临汝推进。预定30日晨开始攻击。
当日军部署进攻许昌时，第一战区组织反击，令汤恩伯“以第29军全部以第13军两师击灭密县之敌”。汤恩伯令第13军配属暂16师由禹县北向密县实施反击。这次反击虽然使日军第110师团暂时转为守势，但对日军第12军主力围攻许昌并未产生影响。
汤恩伯没有掌握日军的动向，没有料到日军会以如此大规模的兵力进攻许昌，而许昌是日军所势在必得的。许昌是平汉路上的交通枢纽，日军意图歼灭汤恩伯兵团主力，如果占据了许昌，汤兵团的主力就会像被磁铁吸附一般牢牢控制在日军手中，随时都有被围歼的危险。
1944年4月29日夜，日军第62师团首先行动，迅速攻占第20师防守之颍河两岸阵地，掩护其他部队进入攻击的出发位置。1944年4月30日拂晓，日军在炮兵、航空兵火力支援下开始攻击。守军新29师依托工事顽强抗击，日军伤亡甚众。激战至下午，守军伤亡惨重，日第37师团第225联队及战车第3师团第13联队分别由许昌城西和城南突入城内。经巷战后，新29师于当夜在城东北角突围，突围过程中师长吕公良阵亡，残部逐次向叶县方向转移。
日军“华北方面军”认为，在国民党军中，第八战区的第1军和第一战区的第13军分别是第八战区和第一战区中的精锐核心部队，只要歼灭第一战区的第11军，就可以令汤兵团崩溃。
日军第12军主力于1944年5月2日开始向登封转进。5月3日，日军战车第3师团已突抵郏县，5月4日，日军第110师团突进至登封西北约16公里的圣水附近，切断了登封与偃师的交通线，战车第3师团亦于5月4日占领临汝。随后，日军战车第3师团在守军第85军到达临汝之前，已于5月4日拂晓占领临汝，守军第47师与第85军向临汝以南退走。日战车师团继续西进，当晚即进抵伊川以东附近渡河，切断了第31集团军的后方联络线。其机动步兵第3联队及战车第13联队一部，于当晚突进至洛阳南方的龙门附近，这样的情况说明日军完成了对第一战区第9军和第13军的分割包围。5月5日，第9军突围，向颍阳镇撤退，途中遭日军节节截击而溃散，损失重大。得悉颍阳一带已为日军占领，遂于6日夜退向嵩县东北收容整顿。与此同时，原在告成、白沙地区的第13军及暂16师及预11师亦于5日黄昏前突穿日军白沙以南的封锁线向临汝方向撤退，沿途亦遭日军战车部队的不断冲击，损失十分严重，后在第85军掩护下，才得以穿越临汝以东封锁线南下，向半扎附近集结。防守巩东、金沟至老饭沟一线的第4集团军在第9军和第13军等突围溃退后已形成孤立突出，于是便根据汤恩伯的命令向洛阳西北地区转移，至5月8日亦退至陈凹附近。至此，汜水、登封主阵地全部被日军占领。
就在日军第12军与第一战区汤兵团主力激战正酣时，日军“华北方面军”也在调集兵团策应第12军作战，派遣了第1军第69师团第59旅团5个步兵大队及独立混成第3旅团3个大队于5月9日夜由垣曲渡黄河攻略渑池，由日军第69师团师团长指挥，担任河防的新8军暂29师及河北民军一部稍战即退，所以日军在5月11日就攻占了渑池，并在渑池获得了大批粮食、弹械，切断了陇海路。
日军第1军的策应12军的部队不仅从西面对洛阳形成了包围之势，还对第八战区形成了威慑，使其难以增援第一战区。
1944年5月12日，日军第37师团第225联队击败第12军第81师，接着占领嵩县。汤恩伯兵团各军间的联络被割断。13日，日战车第3师团一部击败刘戡兵团的暂4军，攻占磁涧；第47军亦放弃新安南退，撤向洛宁。日军紧紧追击，14日占宜阳，15日占韩城，17日占洛宁，20日占卢氏。第36集团军总司令李家钰在作战中以身殉国。第一战区的第4集团军、第36集团军、刘戡兵团等部队均退至闵乡附近地区，战区司令长官部移至闵乡东南的官庄。此时汤恩伯兵团早已溃退至伏牛山地区，洛阳陷于完全孤立。
日军“华北方面军”还将防守北平的第63师团师团长野副昌德率所属步兵第67旅团及3个独立步兵大队调往郑州，并指挥独立第9旅团及第12野战补充队（称“菊兵团”或“野副兵团”）参加进攻洛阳的行动。接下来，日军兵锋直指中原重镇洛阳。
防守洛阳的第15军（包括第64师、第65师）及第94师共有7个团的兵力，其中，第94师担任城厢区（靠近城的地区）守备，第65师担任邙岭区（城北）守备，第64师担任西工区（城西）守备。日军则以菊兵团为主攻，将第110师团第163联队第1大队、独立混成第1旅团的步兵第74大队、独立混成第2旅团的步兵第5大队、独立混成第9旅团的步兵第38大队及野战重炮兵第6联队的1个大队。连同菊兵团本身的10个大队，共计14个步兵大队、1个重炮兵大队。
1944年5月17日，菊兵团各部队全部到达洛阳周围。兵团长野副昌德决定18日开始进攻洛阳。当天，除城北邙岭区仍为第65师防守外，城西、南、东三面日军均已迫近城垣。在守军坚强抵抗下，日军的多次突击均被击退，激战终日，毫无进展。
经过连续进攻，1944年5月21日至23日，日军先后攻占邙岭区内后洞、上清宫、苗家岭等各要点，守军退入城中。1944年5月24日，日军对洛阳城发起了总攻，日军战车第3师团及其机动步兵很快就城西北角突入城内，而后，第63师团亦突破城东北角。当日傍晚，日军的坦克冲入城内，中、日双方军队展开激烈的巷战。第15军军长武庭麟下令各部队各自夺路突围。黄昏后，大部撤出，未接到命令及未及撤离的官兵仍英勇地进行逐屋争夺战。激战彻夜，至25日晨，日军完全占领洛阳。
在豫中会战的37天中，中国军队就失去了38座城。日军则打通了平汉线南段，并占领了沿线各要点及古城洛阳，击溃了第一战区的主力部队，实现了战役的目标，据台湾国民党当局的《抗日战史》记载，第一战区在此次战役中伤亡官佐817员、士兵18327人，日军伤亡4000人；据日本防卫厅防卫研究所统计，日军伤亡3350人，中国军队阵亡32290人，被俘7800人。第一战区在战役结束后所作了《会战之检讨》，其中指出：“此次中原会战，挫师失地，罪戾难辞。”因此，第一战区司令长官蒋鼎文和副司令长官汤恩伯均被撤职。
回看豫中会战，其失败的原因中，有几点是其特有的，与豫湘桂会战整体失败的原因不同的，需要重点关注的。
一，第一战区部队战斗力不足，第一战区有很多“暂编”部队，这些“暂编”部队的士兵多是集训处的补充兵，此外，精锐部队中也有不少士兵是集训处的补充兵。二，作战中日军破译了中方的部分关键电报。三，日军集中使用战车部队。四，因油料等原因，中美空军于豫中会战出动仅400架次，而日军出动达1700架次，日军出动架次是中方的4倍多。五，具体会战部署失误，豫中地势平坦，均系旱田，便于日军的机械化部队和骑兵的运动，在这种情况下，中国军队理应利用黄河防线滞缓日军的，并应将主力放在嵩山、伏牛山等山区与敌人决战，而统帅部和第一战区却在平原地区与日军的激战中耗尽了战力，等到退到山区已经溃不成军。四，汤恩伯以贸易养军，商业气息腐蚀了部队战斗力。五，汤恩伯与蒋鼎文的矛盾导致“将帅不和”，在豫湘桂会战中，蒋介石与史迪威的矛盾导致“将帅不和”，具体到豫中会战，“将帅不和”体现在蒋鼎文与汤恩伯争权夺利，不仅同一战区指挥不能统一，而且实际形成两个战略集团，并相互勾心斗角。
最后一点原因，是部队军纪在败退时很差。1943年河南大灾，河南参议会和人民群众说：“河南灾荒除水灾、旱灾、蝗灾外，还有汤灾。”（但亦有记载，1942年，河南发生特大旱灾，汤恩伯自当年10月至第二年5月，曾组织所部展开救灾运动）。汤兵团在败退过程中，保甲乡长逃跑，仓库存粮被抢空，部队“数日不得一餐”，有部分部队不守军纪，抢百姓蔬菜、猪、鸡食用，导致百姓不满，所以就导致了汤兵团在撤退过程中得不到百姓的帮助，反而受到了百姓的攻击（老百姓中存在汉奸，或日军伪装成老百姓的情况应该也是存在的）。
豫中会战以日军胜利，国民党军失败告终，这场战役使日军打通了平汉线南段，接下来，日军将继续进行打通大陆交通线作战。
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