罗山失守，信阳形势严峻。第五战区为加强信阳地区防守和便于指挥，于10月4日，将胡宗南第17军团编为豫南兵团，仍归第五战区指挥，辖第1军、第16军、第45军及第43军。这时日军第10师团及第8旅团已开始行动。
第五战区为牵制日军，令第27军团以一部进占光山，大部向潢罗公路前进，向西威胁日军右侧背，并将第132师配属之，以加强其战斗力；另命第15军团第13师进出至宣化店，向北威胁日军左侧背。
军委会考虑到信阳地区战略地位重要，唯恐胡宗南兵力不足以阻止日军，为防止日军从平汉路迂回武汉，决定加强这方面兵力。
10月5日，下令将罗卓英第19集团军编为第5兵团，辖第17军团、第15军团、第3集团军、第39军及第48军，负责平汉路及信阳方面作战。其武汉卫戍总司令职务，由武汉警备司令兼第94军军长郭忏继任。
10月5日，日军第3师团击溃罗山以西守军第125师及第167师防线，渡过浉河，占领顺河集、罗湾、王家湾；第8旅团击破第78师防线，攻陷栏杆铺；第10师团攻占涩港、青山店。胡宗南命令第167师派一部袭击渡过浉河之敌，命令第1师派一部阻止米堂店之敌，但均未奏效。
同日，国民政府军委会命令罗卓英兵团增援信阳，指挥信阳地区作战。
10月6日，第39军军长刘和鼎率部通过柳林车站向武胜关方向开进。
同日，罗卓英到达鸡公山，命令胡宗南部向南攻击，会同第13师驱逐柳林车站以北之敌；第22师到达柳林车站以南的李家岩附近。
10月8日，日军第10师团以一部兵力留置朱堂集、新集、柳林，掩护其侧背，主力沿平汉路向信阳前进；日军第8旅团及第3师团，继续向信阳和长台关进攻。
10月9日，胡宗南调整部署：以第16军、第46师之一旅、第45军第125师，仍在中山铺南北之线原阵地拒敌；第46师（只一旅）附第78师之一部在信阳外围占领环城阵地，第78师以两个营守备信阳城；第78师主力附第1师第1旅攻击东双河方面之敌；第106师守备明港、正阳、长台关；第1师（只一旅）集结信阳西北地区归军团控制。
10月10日，日军第10师团主力击退第78师，进至东双河以北地区；第8旅团攻陷中山铺及东郊阵地，迫近信阳；第3师团突破第125师防线，攻占长台关。11日，日军骑兵已进至信阳城下。信阳已陷于日军三面包围之中。
这时，胡宗南令第78师一个团防守信阳城，第17军团主力撤至信阳以西地区集结。他想只要放弃信阳，武汉就会不保，必然就会下令总撤退。历来总撤退都是混乱不堪的，趁混乱带部队西撤，谁也阻挡不住。此时不撤，更待何时！
胡宗南也想过：不听李宗仁命令，擅自撤往南阳会有什么后果。李宗仁会暴跳如雷，会向军委会控告他，甚至会去找蒋介石吵闹，要求严厉制裁他。那又会怎么样呢？“天塌下来有高个子顶着”！他相信蒋介石能顶住李宗仁的控告，不会对他加以制裁的。思前想后，胡宗南下了决心，将李宗仁电报撕碎，令其军团七个师“向西转移，集中于南阳地区待命！”
10月12日，日军第8旅团集中坦克及炮火猛攻信阳城。战至中午，守军撤出，信阳城被日军占领。