接到大本营的命令之后，第十一军司令官冈村宁次中将立即召开了师团长以上的军官会议，会议决定放弃围歼支那第九战区主力的计划，改为全力攻占武汉。
经过第一次武汉会战，实际上国民zèng已经丢掉了武汉外围绝大多数的要塞重镇，包括富池口要塞、马当要塞等等。武汉已经暴露在了日军的枪口下了，只不过冈村宁次打算彻底围歼第九战区的主力，因此作战目的一直不是占领武汉。现在显然是不成了，大本营命令尽快结束华中的战事。
10月3日，日军主力两个师团放弃追击南昌外围的中**队，全部调往武汉外围，接着日军向武汉守军发动最大规模的进攻。此时国民zèng在武汉外围的军队已经聚集了31万，精工武汉的日军有4个师团两个混成旅团一个支队，共计12万人。
双方在武汉外围三十公里的范围内反复争夺，战况极为惨烈，战至6日下午，日军已经逼近武汉城垣，同时日军军舰也已经逼近汉口码头，舰炮不断地向城内开炮，飞机也不间断地向武汉进行空袭。
鉴于部队伤亡极为惨重，而且失去了所有的战略要地，国民zèng军政部下达命令，要求武汉所有的军政机关两日内必须撤出武汉，同时定ongqing卫陪都，同时命令部队三日后撤离武汉。
10月8日晚，国民zèng武汉卫戍部队全部撤离武汉，日军随即占领这座华中重镇，武汉沦陷。
武汉会战历时1个半月，以中**队主动撤出武汉而告结束。就战役而言，日军占领了武汉三镇，并控制了中国的腹心地区，取得了胜利。但就战略而言，则日本并未能实现其战略企图，未能围歼国民zèng第九战区以及第五战区的主力，更为重要的是，日军高层一直认为只要攻占了武汉以及广州南昌这些大城市，国民zèng就会屈服，中日战争就会以日本胜利而结束。
但是实际上这次战役日军并没有令国民zèng屈服，国民zèng决定迁都ongqing，后方机关已经工厂全部迁往四川、云南等地，继续坚持抗战。武汉虽然沦陷了，但是第二次武汉会战却让日军付出重大代价，相比于第一次武汉会战，这一次日军损失更为惨重，其陆军伤亡超过了11万人，海空军损失也极为惨重，海军共有48艘大小舰艇被击伤击沉，空军有240架战机被击落。
武汉会战以后，本来就感兵力不足的日军，随着战线的延长，兵力益发感到不足，无力再组织像淞沪、徐州和武汉会战这样大规模的、以攻城略地为目标的战略进攻，而被迫转为战略保守。这就使中国的抗战由战略防御阶段发展为战略相持阶段，同时也使得这个战略相持阶段因为这两次大的会战而大幅度缩短，使得日本侵略军陷入了它自身所最不愿意进行的持久战的泥淖之中，无法自拔。
另外，巨大的兵员伤亡以及物资损耗，让日本国力因损耗过巨而开始急剧表面化。打仗本身就是在打经济打资源，日本是一个岛国，战略物资缺乏，主要依赖输入，同时日本的经济实力并不很强。
“七七”事变时日本“储备的黄金，包括发行纸币的准备金，全部只不过十三亿五千万日元”。这样的经济情况注定了这场战争日本并不能坚持的太久，因此日本在发动战争的同时，却又千方百计地“谋求早期解决”。
为了维持侵华战争，“昭和十二年从海外输入的军需物资总额达到九亿六千万日元”。为了进行武汉会战，日军连学校教练用的步枪都被收回，用于装备扩建的军队。更由于兵员的不断增加，国内劳力、粮食、能源均感不足。到1939年，日本军费的支出已达61.56亿日元，已远远超出了日本国家的储备量，从而使“日本国力穷困急剧表面化”，已经失去了充分保障军队军事物资供应的能力，从而“加重了zongāng统帅部首脑的痛苦和压力”，以致其参谋总长和陆相自称：“外强中干是我国今日的写照，时间一长就维持不住了”。大致在第一次武汉会战之后，日军的编制、装备和部队战斗力，比战前以及开战之时有了明显的下降。
第二次武汉会战虽然持续的时间并不是很长，只有一个半月，但是日军伤亡之惨重物资消耗之巨大却是之前前所未有的。这也使得日本以上问题更加的凸显，这也迫使日军不得不提前发动太平洋战争，以弥补其战争资源的消耗。