蔣介石下令放棄徐州后，即在武漢外圍長江兩岸積極部署兵團，阻止日軍西進。此時，蔣介石吸取淞滬、南京會戰(zhàn)的教訓，改變了死守一城一地的戰(zhàn)略。由蔣介石批準的《對武漢附近作戰(zhàn)之意見》指出：

武漢已為我抗戰(zhàn)之政治經(jīng)濟及資源之中樞，故其得失關系至巨。惟武漢三鎮(zhèn)之不易守，而武漢近郊尤以江北方面之無險可守盡人皆知，更以中隔大江外雜湖沼，尤非久戰(zhàn)之地，……故欲確保武漢而始終保持武漢為我政治經(jīng)濟資源之中樞，則應戰(zhàn)于武漢之遠方，守武漢而不戰(zhàn)于武漢是為上策?！?9〕

本著“守武漢而不戰(zhàn)于武漢”的作戰(zhàn)宗旨，蔣介石對保衛(wèi)武漢作了軍事部署。

自6月12日日軍攻陷安慶至10月25日武漢失守，蔣介石一直駐守武漢，親自指揮。在此期間，蔣介石還不時召集高級將領，發(fā)表談話，強調(diào)武漢保衛(wèi)戰(zhàn)的重要意義，鼓勵將士們奮勇殺敵。在《保衛(wèi)武漢的責任和要務》一文中，蔣介石強調(diào)說：

最重要的一點就是武漢現(xiàn)在已成了我們抗戰(zhàn)革命最重要的根據(jù)地，也是全世界視聽所集中之點；武漢如能固守，即是我們最后勝利的開始，武漢若有疏失，就要使抗戰(zhàn)前途加重不知多少倍的困難。武漢的得失直接關系于整個抗戰(zhàn)的勝敗和國家民族的生死存亡，因此，我們一定要拼死固守，誓死保衛(wèi)到底！〔50〕

戰(zhàn)役期間，蔣介石還不時對外發(fā)表講話，既表明中國政府保衛(wèi)武漢的決心，也申明中國政府堅持長期抗戰(zhàn)的決心和中日戰(zhàn)爭之持久性，“一城之得失，不會決定勝負”。在7月18日，蔣介石接見英國《每日先驅(qū)報》駐華記者史諾，回答史諾提出的問題時說：“武漢必能堅守，而日軍后方，因中國游擊部隊日益活躍之故，則將變?yōu)榍熬€?！庇终f：“縱令武漢將來有不能守之一日，殊亦無損于抗戰(zhàn)之毫末；中國之目的固在長期作戰(zhàn)以消耗敵人力量，而獲得最后勝利，相信保衛(wèi)武漢之戰(zhàn)，必使敵人遭受重大損失也?！?月13日，蔣介石在漢口接見英國代辦葛凌。葛向蔣探詢中國在原則上可否同意在漢口設安全區(qū)，并面陳日本所提之苛刻條款。蔣介石予以堅決的回答說：“凡有中國軍隊駐守的地方就是安全區(qū)?！睌嗳痪芙^日方無理要求，并強調(diào)指出：“中國抗戰(zhàn)是自衛(wèi)，也為保衛(wèi)國聯(lián)盟約，英國既同為會員國，應徹底與中國合作，驅(qū)逐此人類公敵；此種無理條款，英國根本不應轉(zhuǎn)遞?！?/p>

10月24日，日軍對武漢形成了東、北、南三面包圍的態(tài)勢。同時為策應武漢會戰(zhàn)，日軍于10月12日在廣東南海大亞灣登陸。10月21日，廣州失陷。廣州失守使粵漢路的戰(zhàn)略價值發(fā)生了變化。蔣介石在22日的日記中說：“此時武漢地位已失重要性，如勉強保持，則最后必失，不如決心自動放棄，保全若干力量，以為持久抗戰(zhàn)與最后勝利之根基。”10月25日，日軍開始進攻葛店，武漢附近發(fā)生激戰(zhàn)。就在這一天，蔣介石離開武漢飛往湖南，國民黨軍隊從武漢全部撤退。蔣介石命令：“將凡有可能被日軍利用之虞的設施均予破壞?！蔽錆h燃燒了兩天，日軍最終占領的只是一座空城。

武漢會戰(zhàn)，中日雙方均動用了開戰(zhàn)以來的最大兵力，日軍最終未能殲滅中國100多個師中的哪怕1個師，其原因在于蔣介石吸取了先前的教訓，充分實施了“以空間爭取時間的戰(zhàn)略計劃”。在武漢會戰(zhàn)期間，蔣介石一方面鼓勵將士們誓死保衛(wèi)武漢，另一方面又根據(jù)會戰(zhàn)的實際情況適時調(diào)整部署，及早安排撤退計劃。鑒于上海的教訓，國民政府早在1938年3月就開始拆遷漢陽鐵廠。武漢會戰(zhàn)開始后不久，蔣介石又下令疏散武漢人口。日軍在大亞灣登陸后，蔣介石分別致電駐守長江南岸及衛(wèi)戍武漢的第九戰(zhàn)區(qū)司令長官陳誠和駐守長江南岸的第五戰(zhàn)區(qū)司令長官李宗仁，令其在維持態(tài)勢的情況下，適時部署轉(zhuǎn)移計劃。