1月17日清晨，第56集团军主力部队抵达天门城外。城内守备敌军为从京山溃逃而来的日军231联队残部、日军234独立步兵中队，搭配伪军师4800人，日伪军总可战兵力仅5000余人。
经历京山惨败之后，日军全军士气彻底崩塌，城外防御工事仅修复极小一部分，战壕、碉堡存在大面积缺口，无法构建完整交叉火力防御网。
本次攻坚投入团级作战部队为第88军79师235团、236团，237团，远程火力支援部队为重炮师所辖重炮3团，空中支援调配8架P-40战斗机低空俯冲扫射城墙日军残存火力点位。
整场战斗分为两大阶段推进，第一阶段3小时不间断持续炮火压制，榴弹炮反复轰击城外残存碉堡、战壕工事，日军一线阵地工事尽数损毁，守军死伤惨重，完全丧失对外反击能力；
第二阶段步兵全线搭云梯登城，日军仅仅支撑4小时，外围防线全面瓦解，所有残兵退守城内县政府地下坑道固守。
235团抽调专业坑道爆破小组，将大批量炸药堆放在坑道主通风口、出入口，彻底封堵日军活动空间，坑道内部断氧、断绝粮草补给，日军彻底失去抵抗能力。1月18日下午14点，坑道内剩余日军全员举枪投降。
天门一战完整伤亡数据，我方阵亡386人，负伤914人；日军战死312人，被俘578人；伪军战死217人，被俘3900人。攻克天门当日，方绍魁分兵行动，指派新编第17军226师677团单独北上进攻兵力空虚的应城，集团军剩余主力短暂休整半日，继续向东奔赴汉川县城。
应城城内守军为日军独立步兵第11旅团第5步兵大队，可战兵员620人，搭配伪军2200人。
日军独立旅团主力大半抽调至孝感布防，城内守备力量极度空虚，城外工事残缺不全，无任何重型火炮支援。新编第17军226师677团全团2600人抵达城外阵地之后，仅一轮炮火覆盖便撕碎外围简易战壕，首轮步兵冲锋直接突破城门防线。
少量残余日军退守城内废弃盐矿地下坑道顽抗，677团2营连夜挑选夜袭突击队，深夜从盐矿狭小通风小口潜入坑道内部，凌晨发起突袭，全歼坑道内全部残余日军。1月18日午夜，应城宣告光复，此战我方仅伤亡214人，城内日军、伪军全部被俘，无一人成功突围逃窜。
西线京山、天门、应城三座县城接连收复，日军西线第一层外围防御体系彻底崩塌，各地残兵沿汉宜公路向汉川、孝感全线溃退，来不及收拢部队重新构筑防线。
1月20日拂晓，第56集团军主力抵达汉川城外。汉川紧邻汉江干流，日军独立步兵第11旅团主力驻守此地，日军2100人、伪军3100人，依托汉江河堤修筑连续江岸工事，封锁全部渡口码头，宽阔江面形成天然防御屏障。参战团级单位分配清晰，新编第18军229师686团、687团正面强攻汉江主渡口阵地；
230师689团分上下游隐蔽迂回渡江，从日军防线后方登陆侧击敌军；江南江防集群吴奇伟调拨8艘小型炮艇驶入汉江支流，江面提供移动持续火力支援。首轮白天正面冲锋遭遇重创，开阔江滩无任何遮蔽物，日军河堤暗堡重机枪疯狂扫射，686团单次冲锋伤亡320人，正面进攻暂时陷入停滞。
方绍魁快速调整攻坚战术，放弃白天公开强攻方案，转为夜间隐蔽渡江作战。1月20日夜间23点，689团分三批次乘坐军用橡皮艇，关闭发动机依靠人力木桨缓慢划行，暗夜横渡汉江，在日军防线后方无人滩涂秘密登陆。
凌晨2点登陆部队突袭日军河堤后方炮兵阵地，日军后方火炮全数被炸毁，整条江岸防线瞬间大乱。正面686团、687团抓住战机全线发起总攻，前后夹击之下日军防线彻底崩溃，残兵向孝感仓皇逃窜。1月21日上午9点，汉川全境收复。
孝感是武汉正北最后一道外围屏障，西线所有溃逃日军全部收拢于此，城内日军合计1800人、伪军2600人，依托孝感老城高大砖石城墙死守，战前提前囤积大批量催泪、糜烂毒气手雷，计划依靠化学武器阻挡国军攻坚攻势。
攻坚主力为新编第18军228师、229师、230师，每个师出动两个团共6个步兵团，总攻发起之前，战区直属重炮师持续2小时饱和炮击，城墙多处大面积坍塌，绝大多数城墙固定火力点被炮火摧毁。
步兵入城推进至城市中心街区时，躲藏在楼房暗室的日军小队突然批量投掷毒气手雷，街巷迅速弥漫淡黄绿色刺激性毒烟，前沿683团1连、2连士兵出现流泪不止、皮肤灼烧红肿、呼吸困难等重度中毒症状，一线阵地被迫临时后撤800米。
前线官兵立刻佩戴战前统一配发的防毒面具稳住二线机枪阵地，团直属火焰喷射连快速向前推进，逐一焚烧日军藏匿毒气的房屋、地下暗室，同时呼叫中美联合航空队战机精准空袭日军毒气储存仓库，半小时之内彻底遏制毒气攻势。
稳定阵线之后，四个步兵团预先划分独立街区，逐街逐屋清剿负隅顽抗的日寇，日军失去化学武器底牌之后全军士气彻底溃散，抵抗力度大幅衰减。
1月23日下午16点，孝感全城残敌全部肃清，西线五座预定攻坚县城全部收复。15万第56集团军分驻武汉西郊、北郊阵地，完整构建武汉西北方向包围圈。
南线战场1月15日与西线同步打响进攻，潜江是南线日军核心守备据点，驻守日军第39师团232完整步兵联队，日军可战兵员2420人，协防伪军5100人，是七座外围县城之中日军综合战力最强的一处据点。我方参战细化至团级编制，
宋希濂第11集团军71军87师259团、260团从东门、北门发起正面攻城牵制攻势；杜聿明第5集团军第5军200机械化师599装甲团绕至城南湖区小路隐蔽穿插，彻底切断日军向南唯一突围通道；重炮第13营12门105毫米榴弹炮全程提供远距离火力支援。
第一阶段正面牵制作战，259团、260团持续对潜江东北两门发起波浪式冲锋，吸引城内日军全部主力固守正面城墙，日军所有重机枪、掷弹筒、小队预备队全部调配至东北两门布防，南侧湖区防线兵力极度空虚。
第二阶段装甲迂回切断敌军后路，599装甲团32辆改良九七式中型战车沿湖区泥泞小路隐蔽穿插，抵达潜江南门外主干道，直接封锁日军唯一向南突围通道。
日军察觉后路被彻底切断，紧急出动4辆九五式轻型坦克反扑突围，全部被我方37毫米战防炮、战车主炮当场击毁3辆，剩余一辆日军战车丢弃乘员仓皇退回城内。退路完全封死，城内日军彻底沦为瓮中之鳖，无任何撤退空间。
第三阶段城内36小时惨烈巷战拉锯，日军无路可逃依托城内砖石楼房分段死守，两军反复争夺城市中心商业街。
259团3营在商业街遭遇日军一支加强中队死守，全营连续激战8小时，营长中弹负伤，5名连排长先后阵亡，依靠班组交替掩护、火焰喷射器清楼战术，全歼这支顽固日军中队。
1月19日傍晚，城内日军联队长看见全军覆灭已成定局，在联队指挥部切腹自尽，日军232联队全员被歼灭，无一人成功突围逃窜。
南线两大集团军占领汉口东郊、南郊沿江高地，封锁全部长江渡口，武汉东南合围圈成型，东西两线数十万大军完成对武汉的战略包围，城内日寇已成笼中之兽。