战役开始
1944年10月28日，日军十几万人马大举进攻桂林，桂林保卫战开始。
城外防御战斗
日军在飞机大炮的掩护下向桂林城外的屏风山、猫儿山等四个据点进攻，驻守该地的桂军2个营700余官兵顽强抵抗到次月4日屏风山、猫儿山等阵地失守，日军开始直接进攻桂林城，并且派登陆艇试图从水路攻击桂林，桂林守军进行了异常顽强的抵抗，日军曾经27次冲入桂林市中心，都因为陷入巷战的泥潭使得损失惨重而不得不撤出，日军曾经想从漓江迂回进攻桂林，但是被桂军准确的火力杀伤大半，地方民团敢死队甚至身上绑上手榴弹划着竹排去炸毁日军的登陆艇，日军仅仅在漓江上就付出了阵亡7000余人的代价，在水上战斗激烈的同时，城区巷战也始终处于白热化状态，日军第58师团师团长在日后的战报中称：“我师团在桂林遭到了广西当地土著武装的顽强阻击，这些土著武装的装备虽差，但是极为凶悍，至死决心甚浓，其勇猛为我军远远不及，我军士气低落到极点……”日军下级军官也有过这样的记录：“自小听说之桂林景色宜人，为世之罕见，但今日我军遭到了自战争以来最凶猛的抵抗，城中到处都是枪声，到处都是地雷，全城都在肉搏，我大队900余人在战役结束后仅剩70余人，且多为伤兵，在战后从敌军死尸上发现桂林之敌军的武器竟然大多为我国40多年前已淘汰的火枪，如此简陋的武器居然令我们遭受到如此巨大的伤亡，虽为敌人，但亦为之忠勇精神而感概。”从此也可以看出日军伤亡之大和士气的低落。
日军毒气攻城
1944年11月7日，日军见强攻伤亡巨大，急忙使用了大量的毒气弹攻击桂林各处守军阵地，守军中大多数没有见过毒气，不知道躲避，所以大量中毒死伤，其中800名桂军士兵(多为伤兵)在七星岩抵日军数日，日军在损失了近千人后向七星岩内施放毒气，七星岩内桂军官兵大量中毒，日军此时冲入其中，很多桂军士兵用剩下的一点点力气射击日军并同日军肉搏，但终因中毒后力竭和弹尽粮绝而全部牺牲。
战役结果
1944年11月10日桂林城陷落，按照日本防卫厅战史研究室《一号作战：广西会战》的记载，国民党军队“战场遗尸5665、俘虏13151人”。据桂林城防司令部司令韦云淞战后所写的《桂林防守军战斗要报》记载：桂林保卫战中，国民党军队伤亡约9000人，日军伤亡6000余人。
历史评价
由桂林保卫战的激烈程度之所以被日本人排在衡阳保卫战之前，原因是桂林守军的装备要比衡阳守军的装备差得多，且不少还是地方武装，更重要的是桂军始终没有一名士兵在“清醒”的状态下投降(被俘虏的守军全部是被毒气弄得昏迷不醒了的)，就算在弹尽粮绝，身受重伤的情况下仍然抵抗到死，而且根据不少日本人的回忆录，在参战的广西民团中，有不少还是满头白发的老人，而衡阳守军怎么说也是装备较好的中央军，怎么说最后衡阳守军也投降了。
桂林保卫战是地方军抗战的缩影，在抗日战场上，桂军、西北军、湘军、川军、滇军等等，在外敌入侵，民族危亡的时期，他们依然表现出了中国人应有的血性，为拯救民族的危亡做出了重大的贡献，像淞沪抗战中，湘军士兵在进入战地时都要对周围的人说：“来世再见”，桂军士兵光着膀子挺着刺刀与日军坦克“肉搏”，川军的一个师与日军激战仅存数百人等等，这些都是中华民族的永不屈服的象征。