万家岭战役后，日军重新部署兵力，三路进逼德安，多军节节阻击，战至27日，放弃德安，此时武汉已撤守。随后，日军第9、第27师团进入鄂南辛潭铺，相继占领通山、崇阳、通城、咸宁。
当1938年10月中旬战事迫近武汉核心阵地之际，各方面条件已明显不利于武汉固守。从战略态势来看：武汉东面，长江沿岸各城镇、要塞尽失，门户洞开；武汉北面和东北面，日军占领平汉线、翻越大别山后，尽占武汉以北各阵地；武汉东南面，日军正加紧战略推进。也就是说，武汉三镇已逐渐陷入日军的三面包围之中。
从作战地形来看：尽管早在1936年我军就构筑起了以武汉三镇为核心，约100公里长的环形防守阵地，金陵失守后又修筑了不少坚固工事，但是，武汉三镇近郊多为湖沼港汊，无险可守，不宜于大兵团的城市保卫战。
从部队状态来看：我军固然同仇敌忾，士气旺盛，在数月作战中予敌大量杀伤，但在连续数月的作战中，伤亡也极大，且相当疲惫，亟需补充休整。鉴此，统帅部审时度势，果断决定主动退出武汉。
10月14日，最高统帅以“14·16令一元电”训令武汉会战的第五、第九战区部队：“于一星期内变更现在态势”，转移阵地。17日，又分别致电第五战区司令长官李宗仁和第九战区司令长官陈诚，明示退出武汉的理由和部队转移的部署。同日，军事委员会军令部命令第五战区：麻城、径扶、宣化店至武胜关等处，应多支持几日，以使转移便利；长江埠、新堤之线间应暂不破坏道路，作为武汉卫戍部队的退路；各部转移之前，必需留置掩护及前方游击部队，与敌接触，以资牵制。
当日，第五战区召开高级军事会议，商定转移计划，决定：“战区以调整态势，即将主力逐次向铁路以西转移，确保鄂西；以一部留置苏、皖边区及大别山脉游击，以牵制敌之西进。”随即，除第二十一集团军留在大别山打游击外，第五战区所属各兵团主力开始转移。
长江以北、大别山以南的第五战区右翼兵团，从19日起，且战且退，从浠水向巴河、阳逻、团风、黄陂转移。汉口附近的第二十九集团军第四十四、第六十七军由黄陂，经三汊港、云梦、应城，向潜江集结。第二十六军退至平汉路西再移京山。第五十五军赴钟祥后转枣阳。第八十七军垫后阻击，掩护各部转移后，经孝感、应城至沔阳、皂市附近集结整理。
正在鄂豫边界浴血阻敌的左翼兵团，以第三十三集团军和第二十六集团军第十军掩护作战，其他主力迅速脱离战场，先沿商(城)麻(城)公路南移，后向西折道河口店、花园、安陆，再北抵枣阳。第七十一军主力脱敌后渡过淮河，北上到达豫南唐河。第三十三集团军掩护兵团主力脱敌后，于云梦以北渡过涢水，到达钟祥、荆门地区。
豫南兵团先是阻击日军后再转移。其中，第三十九、第三十一、第六十八军于武胜关、平靖关和应山阻击日军，掩护兵团其他部队转移后，分别向随县、枣阳撤退。第十七军团进入桐柏附近。
至11月中旬，第五战区所属各兵团主力，除留置敌后部队之外，均越过平汉路，重新部署战场。
在第五战区奉命转移之际，第九战区也奉命转移。由于江南日军相对薄弱，第九战区所属各部队转移比较顺利，除一部驰援广东外，其他各部均顺利转移到武宁、通城、岳州等地。
在武汉外围的第五、第九战区部队撤退转移之际，武汉市区内的撤退疏散也同时进行。
1938年10月上旬，守备武汉近郊的第十三、第三十三、第一八五师之一旅均增援大冶金牛方面。接着，第六十四、第六十六军又奉命驰援广东，武汉市区只有1个旅、1个警备团、1个高射炮连和宪警一部，以维护治安，掩护驻汉机关和民众的最后撤离和疏散。
在中国军队撤离后的10月26、27日，日军先后进入汉口、武昌和汉阳，武汉会战遂告结束。
武汉会战发生在1938年6月11日至10月27日，历时138天。这场战役是抗日战争战略防御阶段规模最大、时间最长、歼敌最多的一次战役。我国军队在武汉会战中浴血奋战，大大消耗了日军的有生力量，迫使日军放弃了速战速决的战略企图，从而使战争进入战略相持阶段。
，军事委员会统计我军阵亡将士人数为人，加上负伤超过40万。主要原因是战役上单纯地进行阵地防御，与日军拼消耗。我军队击毙和击伤日军约为25.6万人。
日方对伤亡情况也有多种说法。一种统计显示，日军的战死人数为4,506人，负伤人数为17,380人，总计约21,886人。另一种统计则指出，日军伤亡总数约为9万人。会战期间，我空军和海军也积极参与了作战。在苏联航空志愿大队的配合下，我空军鏖战长空，与日军航空兵空中大战7次，击毁日机78架，炸沉日舰23艘，有力地支援了地面部队的作战。我海军在长江上也进行了激烈战斗，在沿江要塞布置水雷，设置海岸炮，并击沉日舰多艘，有力迟滞了日舰沿江进攻。这么大规模的伤亡对日军来讲那可是前所未有的，把他们的信心给狠狠摧毁了。而我军从持久抗战的战略角度出发，未与敌决战，而是从武汉地区撤退，保存了有生力量。
日方虽然取得了战役的胜利，可得到的却是战略的失败，由于他们在武汉战役里投入极大，嚣张的劲头被压下去了。而且成为日方由战略进攻走向战略保守的转折点。
速战速决的战略方针被彻底粉碎。由于国军的坚强抗击，日本动用了当时能够集结的最大兵力（用于进攻的编制人员约25万人，会战期间曾补充四五次人员，投入的总兵力当在30万人左右），发挥了陆、海、空装备上的绝对优势，苦战4个半月，不但没有歼灭国军的主力部队，没有使国军的抗战意志和战斗力有所减退，反而使日军的有生力量遭到了严重的打击。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，日方侵略军则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，从而导致侵华政策的转变：由军事打击为主、政治诱降为辅，改为以政治诱降为主、军事打击为辅；由以主要兵力进行正面战场的作战，改为转移兵力进行敌后战场的“治安”作战。
日方国力因损耗过巨而开始急剧表面化。日方战略物资缺乏，主要依赖输入，而当时日方的经济实力并不很强。据日军战史记载，“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”；“而对日来说，对战争规模起着制约作用的，实际上还是它的黄金储备量。它意味着日方的货币储备量从最初就限定了这场战争。日方发动了战争，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（1937年）从海外输入的军需物资总额达到九亿六千万日元”。到翌年的6月，为了进行武汉会战，“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。武汉会战结束后的1939年，日方军费的支出已达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“加重了中央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”。大致在武汉会战之后，日军的编制、装备和部队战斗力，总的来看比会战前有所下降。这也是日方不得不改变其政治和军事战略，企图“以华制华”、“以战养战”的重要原因。