北線日軍第110師團、第78旅團與混成第11旅團、騎兵第4旅團已在南陽會師，日軍猛攻南陽。接到岡村寧次的緊急命令後，日軍留下一部牽製南陽，主力兵分二路，一路向鎮平、內鄉、浙川方向進攻，掩護側翼安全，一路配合第115師團向老河口方向進攻。
鎮平、內鄉、浙川國軍安排了新15、新8、第47軍防守，北麵西峽口、魅門關、重陽店、荊紫關第1戰區還部署了第27、68、85、89軍4個軍，胡宗南第43集團軍第1軍、第16軍、第90軍南下臨汝、頰縣一帶。
日軍第110軍、第78旅團氣焰還是很囂張，鎮平國軍新15軍的陣地還沒有攻克，就分兵攻擊新8軍防守的內鄉、李官橋，新8、15軍層層阻擊，按作戰規劃，兩軍抵抗了3天，向北撤退，日軍向西峽口、魅門關追擊。
第115師、第4騎兵旅團從南陽南麵繞過，又從新野、鄧縣之間穿插，直奔老河口、樊城。日軍一部在光化附近與防守老河口的第45軍激戰，主力開始猛攻樊城、襄陽。意圖攻下兩城後向南與第39師團一道解救南麵被圍日軍。第38、132師、新22師防守樊城及襄陽，日軍猛攻數日，襄樊兩城巍然屹立。日軍無法南下，被圍日軍回天乏術。
南線圍殲獨立混成第17旅團及第231聯隊日軍的作戰進行了3天，徹底消滅了這股日軍。第41軍馬上返回了老河口以西，新6軍、第8、69軍也要北上襄陽。
岡村寧次收到了第17旅團決彆電後，命令第115師團停止進攻襄、樊兩城。與北麵第110師團共同進攻老河口。第110師團收到命令的時候，前鋒剛剛推進到魅門關，師團長林芳太郎?覺得有些可惜。可正當第110師團前隊變後隊，後隊變前隊準備回撤時，卻遭到了大量精銳國軍的攻擊，第27、68、85軍，新8、15軍5個軍參與了進攻。林芳太郎心驚不已，第110師團且戰且退，在付出了4000餘名日軍生命的代價後，才退到淅川、內鄉。岡村寧次命令又到了，取消了第110師團攻擊老河口的命令，部隊固守淅川、內鄉、鎮平一線，保證日軍側翼安全。
第115師團、騎兵第4旅團進攻老河口的命令也更改為攻占老河口機場，徹底破壞老河口機場後，向東撤退回到出發地。岡村寧次發現了第1戰區第43集團軍的動作，他判斷第43集團軍將進攻葉縣、舞陽，象河關等地，切斷日軍東撤通道。另外新6軍、第8、69軍北上襄陽的消息也被日軍偵知，東麵銅柏山、銅山等山區裡還有非當數量第5戰區國軍以及新四軍，岡村寧次判斷這是一個大陰謀，如果國軍得逞，華北派遣軍將蒙受重大損失。
岡村寧次決定不去理會大本營不切實際的命令，徹底破壞老河口機場就是給大本營的一個交代。岡村寧次下定決心要撤軍了。進攻機場比進攻老河城區的難度小了許多，第115師團、騎兵第4旅團很快就攻占機場東麵的馬頭山製高點，拿下了老河口機場，他們進占機場時隻有幾架無法修理的飛機，中美航空隊已提前轉移戰機並破壞設施，國軍並未將這裡作為防守的重點。接下來就是在國軍破壞基礎上徹底破壞，日軍對跑道進行了爆破，還在被炸的沆沆窪窪的機場裡埋設了地雷，甚至引來了漢江之水，水淹機場。
第5戰區司令長官李宗仁得到了日軍破壞機場情報，立即判斷出日軍識破了國軍的謀劃，不準備長期占領老河口，準備撤退了。李宗仁立即與胡宗南協調第43集團軍對葉縣、舞陽發起進攻。他命令新6軍、第8、69軍加快行軍趕到戰場，準備追擊日軍。命令第27、68、85、89軍、新8、15軍對內鄉、鎮平發起全麵進攻，儘量拖住日軍。桐柏山新四軍也收到了第5戰區要求配合國軍截擊日軍的電報。
第1、5兩個戰區都動員了起來，第43集團軍發起了對葉縣、舞陽的進攻，日軍拚死阻擊。老河口周邊日軍撤退開始了，李宗仁下達了全麵追擊和堵截的命令，駐紮洛陽、西安等機場的中美航空隊也行動起來了，延安我軍轟炸機也升空了。新6軍、第8、41、69軍急行軍正在趕來的路上。整個豫西、鄂北都沸騰了，中、日兩軍在比拚速度。要不是岡村寧次的反應太快了，下達撤退命令太果決，日軍的損失絕對會大幅度上升。
老河口戰役中國軍隊無疑取得了勝利，戰果的大小取決於這場追擊戰，痛打落水狗的機會非常難得。國軍士氣高昂，連膽大的老百姓都加入了進來，手中揮舞著老套筒、長矛、大刀。
第43集團軍攻下了葉縣，可惜的是舞陽還沒得及攻下，撤退的日軍就已經到了。第43集團軍開始阻擊，降低日軍撤退的速度，為後麵的追擊部隊爭取時間。新四軍第4、10師也參與了攔截，新4軍攔截到了一大批沿唐河、銅柏至信陽的鬼子，沿途不斷伏擊、偷襲，利用地雷、陷阱等方式，扒了日本鬼子一層皮，消滅了日軍近2500餘人，繳獲大批槍支彈藥。
追擊的國軍越來越多，日軍逃竄了4天多，建製都有些混亂。李宗仁命令國軍順勢切斷了平漢線南段，把豫中華北派遣軍與武漢第11軍的聯係徹底隔斷，並不斷向南、北兩個方向壓迫，日軍北麵退到了許昌，南麵退到了廣水。
戰後統計，日軍死亡近3萬餘人，傷亡達到一半。中國派遣軍機動兵力幾乎損失殆儘，華北、華中、華東日軍進入全麵收縮狀態。現在就是再笨的人這個時候也該明白，日本戰敗不可能避免，中國抗日戰爭取得勝利已是板上釘釘之事。
老河口戰役結果對於南京偽政府、偽滿洲國、偽蒙古國來說，帶來的衝擊是非常巨大的。大批漢奸為避免戰後被清算，紛紛想辦法為自己留後路。8月份剛做完手術的汪精衛，躺在日本名古屋帝國大學醫院的病床上，他已經連坐都坐不起來了，隻能整天躺在床上。當他的妻子陳璧君告訴他老河口戰役的結果時，汪精衛陷入了昏迷，他臉色慘白，沒有半點血色，雙頰、眼窩深陷，和死人沒什麼兩樣。
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