武汉会战期间，中国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，中国空军鏖战长空，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。中国海军也英勇作战，击沉、击伤日军舰艇及运输船只共50余艘，击落日机10余架，但自身也损失惨重，基本上全军覆没。
双方在武汉对阵时，日本乘机偷袭了广州。本来青岛、上海等地陷落后，广州就成了中国最重要的港口。但它的防卫与重要性却不成正比。粤军的半数都被抽调去参加武汉会战。日军大本营迅速抽调三个师组成21军，由古庄干郎大将统领，在海军第5舰队司令盐泽幸一的支援下，奇袭广州。
广东省长听到敌人偷袭的风声后，向蒋介石汇报。蒋介石居然以为这是日本人故意制造出来的“假”情报，试图让国军从武汉战场抽出兵力支援广东。10月11晚，日军7万多人在广州大亚湾登陆成功，一路接连侵占了淡水、惠州、博罗和增城，21日就攻到广州近郊。无奈之下，余汉谋被迫下令广州守军撤退，21日下午广州沦陷。
广州一失，粤汉铁路被切断，防守武汉的意义就不大了。于是蒋介石吸取南京保卫战的教训，决定主动放弃武汉。10月25日，日军占领汉口，次日占领武昌，27日占领汉阳，武汉保卫战至此结束。