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村均第五师团、盐田定一的台湾混成旅团和其他配合部队，以及海军的第五舰队和第三联合航空队，总共动员约三万人的兵力、七十多艘军舰、两艘航空母舰和大约一百架飞机，组成桂南会战参战兵力。日军主力今村师团就是原来的板垣师团，是日本陆军第一流的机械化部队，在对中国的侵略战争中屡次担任主攻，号称“铁军”。
关于进攻路线：如全由陆路进攻，则由广州附近至南宁约1000公里，且要通过粤、桂两省南部连绵起伏的大山，道路崎岖，不利大兵团行动，又极易遇到中**队的阻击。故日军选择了由钦州湾登陆。这既利于陆、海军协同，又大大缩短了陆上距离。钦州至南宁不到200公里，可较快推进，又便于占领南宁后进行运输补给。
为隐蔽作战意图，第21军决定所有参战部队都在已经被日军占领的海南岛南端的三亚地区集结。当时第5师团还远在黑龙江省齐齐哈尔准备对苏作战，1939年6至8月间，日本关东军与苏联军队在诺门坎地区发生大规模武装冲突，被苏军打败。日本大本营急速向东北增兵，第5师团由华北调往东北，列入关东军序列。9月，日、苏间达成现地停战协定，故10月中旬，第5师团得以调出。接到命令后，第5师团于10月下旬紧急车运至大连、旅顺，转乘轮船南下，于11月7日到达三亚。台湾混成旅团于11月9日由广州运抵三亚。第21军司令官安藤利吉中将也于10日到达三亚，完成集结，待命出动。
日本当局非常重视这场战役。他们相信，只要切断了供给线，中国就会丧失抵抗能力，日本就可以立即结束在中国的战争，完成对中国的侵略任务。日军大本营有人宣布：“这是中国事变的最后一战。”
中国方面的军事委员会、桂林行营和负责两广地区作战的第四战区认为日军在华南的兵力有限，对日军由钦州湾登陆攻取南宁的行动都估计不足，缺乏必要的准备。1939年9月第一次长沙会战后，军事委员会的主要注意力仍在武汉—长沙方面，判断日军可能集中更大兵力再次进攻长沙，所以计划由第二、第三、第五、第九战区各向当面日军发动冬季攻势，牵制和打击日军，特别是牵制武汉方面的日军。桂林行营负责指挥长江以南第三、第四、第九战区的作战，为贯彻军事委员会意图，也在湘赣方面集结重兵，准备采取攻势，而令第四战区采取守势。第四战区所属8个军、18个师大部集结于广东，在桂南方向的只有第16集团军。为了加强冬季攻势中使用的兵力，张发奎又将原在鹤山、高明的第64军调走，第16集团军仅剩第46军、第31军共6个师，分布在由南宁至广东新会约800公里的正面、200公里以上纵深的区域内。其中第46军部署于南宁至钦县、灵山、玉林、北海、廉江间地区，保护中越交通运输线；第31军部署于第46军左翼从桂平、电白向东一直延伸到阳江、新会地区。该两军多是新编成的部队，装备较差，训练不足，战斗力不强。
第四战区和第16集团军虽对日军进攻南宁的可能性有所估计，但认为日军从钦州湾登陆较困难，而且钦县至南宁的道路已被破坏，沿途多山，故从钦州湾登陆的可能性较小；而从雷州半岛的电白、吴川，或从北部湾的北海登陆较为容易，可能性较大。依此判断而制定了作战预案，在电白、北海、钦州湾各方向都部署了部队，构筑了阵地，设想了若干应付措施。但因在该地区的兵力实在单薄、防御地区正面宽广、空隙较大，难以形成坚强防御。
13日，舰队从三亚启航。14日，先头舰只抵达北海，用十几艘军舰发动佯攻。驻守北海的第一七五师一个营，回击了日军的进攻。中**事当局命令防卫部队炸毁北海市，但指挥北海保卫战的第五二四团团长巢威，认为日军不会在北海登陆，没有执行这个命令。
当晚，日舰停止了对北海的进攻，转而攻击钦州。防城的企沙和龙门两地，守军各有一个营抵抗了一天，败下阵来，日军在这里登陆。
防守钦县犁头嘴的连长向团长黄廷才报告敌情，黄廷才竟然认为这是日军惯常的骚扰而已，不必认真对待。结果，毫无战斗准备的新编第十九师所属部队，在日军进攻下溃败，日军顺利登陆。
三天后，日军占领了钦县和防城，立即分兵北上。日军进攻黄固的新编第十九师师部所在地小董，黄固临阵退缩，只身逃跑，后被撤职，交军法审判。守军溃散后，日军继续北上。十万大山地区的土匪，组成许多便衣队，为日军做先导，帮助日军加快了北进速度。22日傍晚，日军抵达南宁市邕江南岸。
日军登陆后，深感事态严重的最高统帅在重庆迅速召见白主任，叫他不必继续参加正在召开的国民党五届六中全会，立即返回桂林指挥作战。白主任趁机要求最高统帅给他桂林行营主任的头衔的基础上，赋予他指挥全权，不让第四战区的司令官张长官插手，各军必须直接听从行营命令。尽管长期以来对于桂系，最高统帅都是严加警惕，几乎是不遗余力的寻找机会压制削弱，但是，面对日军一旦占据桂南以后将给中国抗战造成的巨大困难，最高统帅还是选择了先把派系斗争放到一边，不仅同意了他的要求，还把军事委员会直属的第五军等最精锐的嫡系部队也调归他指挥。