军长陈牧农目睹日军攻势凶猛，又想起豫湘战场中央军的溃败惨状，未向战区指挥部请示便萌生退意。

九月十一日，日军在付出三千余人伤亡的代价后撕开核心防线，陈牧农当即擅自下令全线撤退，数万大军瞬间陷入混乱。陈牧农撤退后先退至兴安，向张发奎提交战报辩解：“一日内伤亡营长以下二百五十余人，毙伤日军百余人，非不愿守，实不能守”。

但这样的理由无法挽回败局，九月十四日，这座被寄予厚望的 “湘桂锁钥” 仅坚守七天便宣告陷落。消息传到重庆，蒋介石震怒不已，为震慑全军，他当即下令将陈牧农押解至重庆，十月十四日在江北机场执行枪决，临刑前陈牧农嘶吼着 “我守不住，换谁都守不住”。

蒋介石特意通电全国公布其 “阵前退缩” 罪状，可此时全州失守的恶果已无法挽回，湘桂走廊门户洞开，日军北线主力得以长驱直入。

而在南线，日军第二十三军的攻势同样迅猛。这支部队由中将田中久一指挥，下辖第一百零四、二十二、一百二十九三个师团及独立混成第二十二旅团，总兵力约八万人，配备十二门 105 毫米加农炮、十二辆装甲车，还临时配属三十架战斗机提供空中支援。

他们于九月二十二日从广东向西发起猛攻，凭借兵力与装备优势快速推进。

十月九日，日军在飞机掩护下强渡西江进攻梧州，守军中央军第六十四军一百五十九师仅八千人，依托沿岸工事顽强抵抗。该师三团团长陈炳率部与日军展开白刃战，腹部中弹后仍挥舞大刀斩杀三名日军，最终力竭阵亡。

十月十一日梧州陷落时，一百五十九师仅剩两千余人突围。

十月二十八日，日军占领平南，一座又一座城池相继落入敌手。到十月底，南线日军已直逼柳州，与北线攻克全州后南下的第十一军形成呼应，彻底完成了对桂林的钳形合围。

此时的桂林，早已沦为一座真正的孤城。

但与全州的中央军不同，驻守这里的是桂系第十六集团军的核心主力：第三十一军下辖第一百三十一师、第一百三十五师，第四十六军第一百七十五师，再加上配属的炮兵、工兵及地方守备部队，总兵力约两万八千人。

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城防司令韦云淞与第十六集团军司令夏威一道，依托此前构筑的三层防御体系布防：