1944年，日军在其海空主力被美军消灭、海上交通线被切断之后，实施“一号作战计划”，目的是建立从华北到越南的“大东亚交通线”以支撑战争，并摧毁美军在华中、华南的空军基地，削弱美军利用这些基地轰炸日本本土的能力。日军在1944年发动了被中国称为“豫湘桂战役”的大规模作战，连克河南、湖南，除了在湖南衡阳遭到了中央军第10军的顽强抵抗外，一路所向披靡，国民党军大部分溃不成军，日军近7个师团，15万兵力，300多辆坦克，30余架飞机，大量重炮集结于桂林一线，准备进攻桂林。
1944年10月26日，日军第六方面军司令官冈村宁次下令主攻桂林市的第十一军团(军团长横山勇中将)于27日开始行动。桂林守军原为国民革命军第31军(下辖第131师和第188师)、第135师及部分地方守备部队，系桂系部队。在战役开始之前，上层又把第188师调出，以第46军的一个大部分是新兵的后调师第170师来替换，同时把第31军副军长冯璜及第131师第391团调出桂林，后又把第135师和地方守备部队也调走，这就使得桂林守军只剩下缺少一个团的第131师和第170师。第170师说是一个师，其实兵力也仅仅相当于一个团而已，在后来的战斗中也编入了第131师(也有一种说法是第170师没有直接参加桂林战役，只是和日军接触一下就退出桂林了)，
而国民政府统帅部的开始的意思是要全部放弃桂林、柳州一线，但是后来白崇僖后来又要求坚守桂林，为日后反攻争取赢得时间，所以在15万装备精良的日军面前，桂林守军只有广西桂军第131师这一个师1万2千余人，加上后来从各地自发进入桂林城的广西地方民团，总兵力不到2万人，没有坦克飞机，只有22门火炮(加农炮2门，山炮12门，高射炮4门，战车防御炮4门)，大部分广西民团和少部分桂军士兵拿的还是土枪而已，但是桂林守军都抱着必死决心与桂林共存亡，所以士气十分高涨，而且守军立足于主要与日军打巷战，他们把所有的房子都修成了碉堡，在所有的路口都建了防御工事，所有的水井都下了毒，实行焦土抗战。广西地方民团更是组成了数千人的敢死队，他们的任务是身上绑上手榴弹或者炸药，然后用自己的身体炸毁日军的坦克和登陆艇。
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。日军在飞机
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。
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，中国军队“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，中国军队伤亡约9000人，日军伤亡6000余人。
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。
远远比不上衡阳
有一些资料提出桂林守军给予进攻的日军以沉重打击，毙伤日军达33000人，还击毙9名大佐联队长、31名中佐大队长，甚至称日军将桂林保卫战和昆仑关之战并称为侵华战争中中国军队最为勇猛的两次战役。
仔细一分析，进攻桂林的日军总兵力才53000人，如果伤亡33000人的话，伤亡率已经超过了60%，加上联队长大队长级别的军官大量损失，遭到这样惨重伤亡的部队必然要进行补充和休整，才能继续作战。而事实上，日军在攻占桂林后，几乎没有什么停留，就继续向南推进，而且进军势如破竹，短短的二十来天就占领了南宁、宜山等战略要地，12月2日占领了贵州的独山。相比之下，日军在衡阳城下与守军第10军激战47天，才叫伤亡惨重，衡阳之战后整整休整了两个月才发动新的攻势。可见，桂林之战日军伤亡惨重的说法很不靠谱。
再有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》中的数据，日军伤亡也不过6000余人。而且一般战报中都会夸大对方的伤亡，经过注水之后的数据也只有6000人，可见日军真实的伤亡肯定不会有6000人，能有3000人的伤亡已经不错了。
桂林保卫战攻守双方的兵力对比是20000人对53000人，衡阳之战开始是17000人对40000人，最后达到17000人对90000人，从兵力对比上来看，衡阳之战的兵力劣势更加悬殊;桂林保卫战的持续时间，从外围战算起，是12天，要是光从日军总攻城区算起，才只有区区2天，而衡阳之战却是47天。差距不是一星半点。
在装备方面，配属桂林守军的炮兵有包括2个重炮连在内的1个炮兵团，4门150毫米榴弹炮、4门105毫米加农炮以及75毫米以上口径山野炮14门，而且炮弹充裕(日军占领桂林后缴获的炮弹就有3万发)，而衡阳守军只有一个半营的山炮18门75毫米山炮，主要靠迫击炮火力。综合来看，桂林守军的表现确实和衡阳守军有不小差距。
但是，不论作战情况如何，都不能抹杀以131师师长阚维雍和七星岩守军为代表的广大官兵的英勇事迹。解放后，广西壮族自治区人民政府追认阚维雍为革命烈士，并为阚维雍、陈济桓、吕旃蒙三将军和七星岩八百壮士忠骸普陀山七星岩霸王坪修筑陵墓，作为永远的纪念。
桂林保卫战中，虽然一些中下级官兵浴血苦战，特别是自发参战的广西民团，手持简陋落后的武器与日军白刃肉搏，但最终还是很快失守，主要原因在于高层。先是身居军事委员会副总参谋长高位的白崇禧，临战之前存有私心，为了保存自己桂系的实力，调离战斗力最强悍的2个主力师，大大削弱了守军力量，导致军心动摇。再是桂林防守司令韦云淞缺乏固守的决心和信念，一见战局不利就匆忙部署撤退，结果一个在此前战斗中还未受到多少损失的师，就在混乱的撤退中溃败，根本没有发挥出应有的作用。另外，外围部队行动迟缓，未能及时形成和城内守军相配合呼应的有利态势，也是最终失败的原因之一。
随着桂林的迅速失守，日军迅即长驱直入，很快就打通了湘桂铁路，并一直进到贵州独山，这也是抗战期间日军兵锋深入到中国内陆的最深点，重庆也为之震惊，对整个抗战大局造成了很大的恶劣影响。