1944年，“困兽犹斗”这个词再一次通过日军的“一号作战计划”得到了证实。1943年12月7日，日本中国派遣军制定了《纵贯大陆铁路作战指导大纲》，此作战计划确定名称为“一号作战”。
1944年1月24日，日本天皇批准了“一号作战计划”，下达了“一号作战”命令。日本发动“一号作战计划”的原因主要有二，一是日本海军逐渐丧失了太平洋上的制海权，日本本土已经处于危险之中。东南亚日军50多万人与日本本土的海上交通面临被美国海军切断之虞，随时可能陷入补给中断、孤立无援的困境，为改变这种局面，日本企图建立一条日本—朝鲜—华北—华中—华南—越南—泰国—新加坡的漫长的大陆交通线，替代海洋运输线，且可为本土危急时在大陆与盟军决战做准备。二是日本已经失去中国大陆的制空权。以中国大陆为基地的中、美空军对日本海上运输线及日本本土造成了严重威胁。制空权的丧失还使日军在华作战处于不利的劣势。
按照日军的计划，第一步先在河南境内作战，打通平汉铁路；第二步实施湖南作战，占领长沙、衡阳，打通粤汉铁路中段；第三步，在湖南、广东及越南的日军的配合下，打通湘桂铁路后，再打通粤汉线南段。对于日军而言，这一系列计划需要进行长距离的作战，从黄河到信阳约400公里，岳州至衡阳约400公里，衡阳至广东约600公里。日军要在这么长的战线上发动进攻，打通大陆交通线，确实是日军在无奈之下的一次孤注一掷的冒险行动，计划投入兵力多达51万人，战马10万匹，火炮1500门，汽车15000辆。日军为此再次进行国内动员，命令华北的第十二军准备实施平汉路作战，华中的第十一军和华南的第二十三军准备实施湘桂作战。这次作战按照时间和地域可分为豫中战役、长衡战役、桂柳战役三个阶段。
4月17日，日军第十二军约7个师的兵力在河南中牟、邙山头两处强渡黄河，突破中国军队的河防阵地。20日，日军占领了连接平汉和陇海两大铁路线的重镇郑州。5月1日，日军占领许昌，7日，从信阳北上的日军第十一军与由郑州北下的日军第十二军在确山会师，打通了平汉线南路。
另一路日军则是河南的日军主力，由郑州沿陇海线及其以南地区西进，以坦克师为前锋，于5日进抵洛阳附近的龙门地区，试图歼灭第一战区中国军队主力。洛阳是第一战区司令长官部的所在地。日军于5月19日起对洛阳发起攻势，洛阳守城官兵经一周激战、遭受严重伤亡后沿洛河西撤，25日日军攻占了洛阳，中国军队第三十六集团军总司令李家钰等将领在撤退时战死。日军用38天时间占领了河南全省，中国军队伤亡失踪20多万人，失去城池288座。
进攻湖南是日军“一号作战”的关键部分。在河南日军攻占洛阳的同时，日本中国派遣军总司令俊六将在南京的前线指挥所推进到汉口，直接指挥作战。5月27日拂晓，日军由洞庭湖、新墙河至鄂南通城一线100公里宽的正面战线上分3路齐头并进，在湘北发动攻势。
战争开始后，日军没有像以往那样长驱直入，而是在炮兵、飞机的掩护下稳步向南压迫，确保自己的补给线。尽管日军在战役中兵力的总数量不及中国军队，但在攻击的重点方面，均居于优势，在日后进攻长沙、浏阳、衡阳时更居于绝对优势。6月18日日军攻陷长沙，并迅速南下进攻衡阳。
衡阳是湘南的重要战略据点，位于南岳衡山的南麓，作为粤汉、湘桂两铁路的交叉点，是东南各省通往西南后方的公路枢纽，也是东南空军基地与西南空军基地的联络站。6月22日，日军开始进入衡阳外围，守军将花费两亿元建成的湘江大桥炸毁，阻止日军通过。23日拂晓，衡阳保卫战正式打响。
日军在衡阳城遭到中国军队的顽强抵抗，衡阳守军为第十军方先觉部，以死守城区为目标部署了军队。6月28日，日军发动第一次大攻势，由第六十八师、第一一六师等部实施，但进攻失败。第六十八师师长佐间、师参谋长等被中国军队的炮火击伤，日军有重大伤亡。30日，日军在第一一六师师长岩永汪指挥下再次发动攻势，但又告失败。7月11日，日军第十一军在得到强大炮火和飞机的支援后重新攻击衡阳，但只占领了一部分地区。在此期间，国民政府军事委员会调动的各路援军受阻于衡阳外围地区，始终未能与衡阳城内的守军会合，致使衡阳守军一直孤军奋战，弹药等主要依靠空中补给，先后投送40万吨。但第十军作战时间已长达1个多月，官兵无休无眠，伤亡十分惨重。军部直属队伤亡三分之二，预备第十师伤亡90％，第三师伤亡70％，第一九〇师仅剩下400多人，中下级军官伤亡太多，以致每一次战斗均要连升几个营长、连长。
7月30日，日军调集了多达5个师的兵力，以确保攻下衡阳这一弹丸之地。当时日本在太平洋上节节败退，日本的统治者想以攻下衡阳来装饰脸面，鼓舞士气。日军第十一军司令官于8月2日以后到衡阳亲自指挥。恶战至8月7日，在部队失去战斗能力后，日军第十军军长方先觉与各师师长在防空洞中商量了投降的条件，方先觉签字盖章后，于晚间同日军第一一六师团的前线指挥所取得联系，日方同意了方先觉的条件，第二天，当方先觉率10多名高级军官会见日军师长时，日方却只允许第十军无条件投降。8月8日，持续47天的衡阳保卫战以守军的无条件投降而告终。
在数量与火力居于绝对优势的日军重重包围下，第十军将士孤军在衡阳血战了47天，这是日军在打通大陆交通线作战中所遭受的最大挫折。处于攻击状态的日军伤亡很大。据日方统计，日军在攻击衡阳战斗中伤亡19380人，其中，中高级军官有390多人战死，520多人负伤。
占领衡阳后，日军即沿湘桂铁路侵入广西。日军在广西境内作战顺利，至10月30日，攻入广西北部的日军已进抵桂林火车站附近。桂林城已处于日军围困之中。
桂林当时为广西省会，湘桂铁路、公路由此通往柳州，为广西省东北的交通枢纽。抗战以后，桂林就已成为收容饱受战火痛苦人们的避难所。自日军发动“一号作战”以后，湘桂各地城池连连失陷，大批逃难的人涌向桂林，桂林城居民由10万人左右猛增到50万～60万人。在这个因战争而人口迅速膨胀的城市里，工厂、商店、银行、学校、报社、难民云集。但当战火逼近广西时，疏散桂林的人口已刻不容缓。9月10日，城内的疏散工作开始强制进行，至14日，所有省府机关均已疏散完毕。原本繁华的都市转眼间便成了荒凉的空城。
10月28日，日军同时从北、东、南三面向桂林外围攻击。
11月8日夜，日军攻占了城郊的大部分要地，渡过桂江，进入桂林中心市区。城中的守军陷于混乱，多数战死，部分官兵被俘，一部分守军于9日突围。突围中，第一三一师师长阚维雍自杀，第一七〇师副师长受伤被俘，城防司令部参谋长陈继桓阵亡。至11日，日军完全控制了桂林。
战争引发了第二次的大迁徙。自日军8月份攻陷衡阳，9月中旬打入广西境内以来，湘桂铁路沿线城池连连告失，使柳州成了临时避难所。
大量难民和南迁的机关、学校及企事业单位纷纷涌入柳州，使市内人口暴增。当日军发动桂柳作战时，人们又纷纷外逃。柳州火车站上整天人山人海，行李堆积如山，《大公报》报道：“日来列车秩序极乱，马桶浴盆与乘客争登，小鸡小鸭与物资抢位。”与桂林失守同一天，第四战区司令部所在地柳州陷入日军之手。
日军占领柳州后，一部分日军继续沿黔桂路西犯，进入贵州境内，占领了独山。少数日军尾追中国军队直到离贵州省会贵阳50多里的地方才告停息。孤军突入贵州的日军实际已是强弩之末，战线越拉越长，供应不上，进入冬季，日军士兵仍穿着夏季的服装，为了躲避中美空军的轰炸，行动多选在夜间，宿营只好在野外。
日军虽然打通了大陆交通线，但并没有改变它在战略上的困境，由于过分延长了战线，兵力非常分散，占领的空军基地到1945年5月几乎全部又回到中国军队的手中，纵贯大陆的铁路因运输材料缺乏，始终没有全线通车，而且随时处在中美空军的打击之下。日本打通大陆交通线的军事行动除了给中国人民造成更加深重的苦难外，没有多大实际价值，只是付出了兵员上和物力上的重大损失，加速了日本的失败。