戰役開始
1944年10月28日，日軍十幾萬人馬大舉進攻桂林，桂林保衛戰開始。
城外防禦戰鬥
日軍在飛機大炮的掩護下向桂林城外的屏風山、貓兒山等四個據點進攻，駐守該地的桂軍2個營700餘官兵頑強抵抗到次月4日屏風山、貓兒山等陣地失守，日軍開始直接進攻桂林城，並且派登陸艇試圖從水路攻擊桂林，桂林守軍進行了異常頑強的抵抗，日軍曾經27次衝入桂林市中心，都因爲陷入巷戰的泥潭使得損失慘重而不得不撤出，日軍曾經想從灕江迂迴進攻桂林，但是被桂軍準確的火力殺傷大半，地方民團敢死隊甚至身上綁上手榴彈划着竹排去炸燬日軍的登陸艇，日軍僅僅在灕江上就付出了陣亡7000餘人的代價，在水上戰鬥激烈的同時，城區巷戰也始終處於白熱化狀態，日軍第58師團師團長在日後的戰報中稱：“我師團在桂林遭到了廣西當地土著武裝的頑強阻擊，這些土著武裝的裝備雖差，但是極爲兇悍，至死決心甚濃，其勇猛爲我軍遠遠不及，我軍士氣低落到極點……”日軍下級軍官也有過這樣的記錄：“自小聽說之桂林景色宜人，爲世之罕見，但今日我軍遭到了自戰爭以來最兇猛的抵抗，城中到處都是槍聲，到處都是地雷，全城都在肉搏，我大隊900餘人在戰役結束後僅剩70餘人，且多爲傷兵，在戰後從敵軍死屍上發現桂林之敵軍的武器竟然大多爲我國40多年前已淘汰的火槍，如此簡陋的武器居然令我們遭受到如此巨大的傷亡，雖爲敵人，但亦爲之忠勇精神而感概。”從此也可以看出日軍傷亡之大和士氣的低落。
日軍毒氣攻城
1944年11月7日，日軍見強攻傷亡巨大，急忙使用了大量的毒氣彈攻擊桂林各處守軍陣地，守軍中大多數沒有見過毒氣，不知道躲避，所以大量中毒死傷，其中800名桂軍士兵(多爲傷兵)在七星巖抵日軍數日，日軍在損失了近千人後向七星巖內施放毒氣，七星巖內桂軍官兵大量中毒，日軍此時衝入其中，很多桂軍士兵用剩下的一點點力氣射擊日軍並同日軍肉搏，但終因中毒後力竭和彈盡糧絕而全部犧牲。
戰役結果
1944年11月10日桂林城陷落，按照日本防衛廳戰史研究室《一號作戰：廣西會戰》的記載，國民黨軍隊“戰場遺屍5665、俘虜13151人”。據桂林城防司令部司令韋雲淞戰後所寫的《桂林防守軍戰鬥要報》記載：桂林保衛戰中，國民黨軍隊傷亡約9000人，日軍傷亡6000餘人。
歷史評價
由桂林保衛戰的激烈程度之所以被日本人排在衡陽保衛戰之前，原因是桂林守軍的裝備要比衡陽守軍的裝備差得多，且不少還是地方武裝，更重要的是桂軍始終沒有一名士兵在“清醒”的狀態下投降(被俘虜的守軍全部是被毒氣弄得昏迷不醒了的)，就算在彈盡糧絕，身受重傷的情況下仍然抵抗到死，而且根據不少日本人的回憶錄，在參戰的廣西民團中，有不少還是滿頭白髮的老人，而衡陽守軍怎麼說也是裝備較好的中央軍，怎麼說最後衡陽守軍也投降了。
桂林保衛戰是地方軍抗戰的縮影，在抗日戰場上，桂軍、西北軍、湘軍、川軍、滇軍等等，在外敵入侵，民族危亡的時期，他們依然表現出了中國人應有的血性，爲拯救民族的危亡做出了重大的貢獻，像淞滬抗戰中，湘軍士兵在進入戰地時都要對周圍的人說：“來世再見”，桂軍士兵光着膀子挺着刺刀與日軍坦克“肉搏”，川軍的一個師與日軍激戰僅存數百人等等，這些都是中華民族的永不屈服的象徵。
