日本人非常清楚李宗仁的战斗力，所以在战役开打之前就直接拉出15万人的正规部队，而桂林也是豫湘桂战役的最后一个支点，日本人肯定会不惜一切代价拿下这座城市，以此来彻底摧毁桂军的老巢，桂林战役就在这样的背景下展开了。
战役刚开打时日军依靠飞机坦克的掩护，进攻非常顺利，部队很快就推进到桂林城下，桂林守军也表现出了极为惊人的毅力，大军压境之下他们迅速抢占城市制高点架设重机枪，并且还在城外设立了三道防线。按照白崇禧的说法，这些防线可以丢掉，但一定要给日本人造成打击，尽最大可能消耗日军的有生力量。另外白崇禧还在城内安排了重兵，发动老百姓与日本人打巷战，并且他还做好了准备，日军真敢进城的话就直接实行焦土战术，把外围城镇直接一把火烧了，让日本人陷入一片火海。
安排好这一切措施后，日军分三个批次进攻桂林城，第一波日军在进攻三道防线时就受到了很大挫伤，等他们来到城门之下进行攻城战时，城内高据点的机枪手则疯狂进行扫射，日本人的第一梯队进攻也因此告吹，留下了近百具尸体在那里。紧接着日本人又派出了第二梯次的部队进攻，但那几个高据点的机枪火力丝毫没有减弱，城头上的士兵也异常凶狠，他们把所有的手榴弹都往鬼子头上招呼，居高临下的火力压制让日本人都已分不清到底哪里是主要火力点，很快日本人第二波进攻也失败了。
接连的进攻受挫日军也是非常恼怒，他们二话不说把所有的山炮、迫击炮都对准了城头守军，并且也在城门下布置机枪手对着城头扫射。很快炮火一阵轰鸣，城门上守城士兵大半阵亡，几个高据点的机枪手也被打得遍体鳞伤，据点也不像样子了。但就在日本人自信的以为桂林就此拿下时，他们刚杀进城又遭到了另一波猛烈的火力抵抗，剩下守城士兵又补了上来，与日军进行了残酷的巷战。
前前后后的进攻使日军伤亡数千人，这时的日本人已经陷入疯狂，所以他们公然违背国际公约，对整个桂林城内大量投放毒气炸弹。虽然守城部队非常剽悍，但他们并没有真正见识过毒气弹的威力，面对枪林弹雨都无所畏惧的军人在日军毒气进攻下一个个倒了下去。日本人靠着毒气进攻和火力压制把守城的2万桂军基本打了个精光，桂军亡9000余，伤6000余，战斗力基本无存，日军也凭借阴险的手段顺利拿下桂林城，顺利打通南部交通线。桂军面对数倍敌人，在无支援、无补充的情况下抵抗日军12日，虽然最终结局桂林陷落，但桂军打出了血性，打出了中国军人的意志，他们光着膀子拿起刺刀与日军坦克进行‘肉搏’，这些都是中国军人永不屈服的精神，有如此男儿，何愁日寇不退？
