1944年8月8日，衡阳沦陷后，日军沿着湘桂铁路长驱南下，大举进犯广西，集中8个师团和2个旅团约15万人向桂林推进。蒋介石下令给柳州第四战区司令长官张发奎，要张确保桂林、柳州。但是由于桂系军阀处处遭蒋介石排挤，白崇禧将自己的亲信部队，从桂林调出，换成阚维雍的131师（战斗力较弱）和170师（全系新兵的后调补充师）。仅以2万兵力抵抗日军正面5.3万余人的进攻。

　　
　　9月，第四战区下令强迫疏散桂林市民。当时桂林市所有党政军机关，毫无指挥与措施，致使机关、团体、学校争先恐后，抢夺交通工具，乱成一团，情况非常狼狈，群众顾此失彼，怨声载道，极为悲惨。桂林紧急疏散后，除守城部队外，其他什么人都走光了。隔不到数日，说是北门外扫清射界处起火，当天西北风特别大，无人救火，火势从北而南在一昼夜时间，桂林城一片火海，人民财产付之一炬。日本投降后，桂林市民回转家园，只见一片荒圩草丛，无处安身，人民群众义愤填膺。

　　
　　10月26日，日本第6方面军命令11军攻占桂林，以58师团为主攻，在重炮兵第14、15联队，独立野炮第2联队，独立重炮第6大队，战车第3联队配合下由灵川急进，进攻桂林北门和西门；第40师团在独立山炮第2联队的配合下由兴安向桂林东门进攻；第13师团进攻南门。

　　
　　从11月1日起，日军开始对桂林外围发起进攻，中国军民依托石山岩洞进行顽强抗击。日军对七星岩中国守军施放毒气，守军800余人惨死于大小岩洞里。桂林外围的防御工事几乎全被日军的炮火摧毁，外围部队残部退入城内。

　　
　　11月6日，日军驻广西桂林南郊雁山镇松井部队到五塘村搜杀，村内无人，发现吉山上有炊烟升起，于是赶往搜山，找到了洞口。他们将农民们存放在洞口的箱笼、衣物、土烟叶等可燃物堆拢，浇上煤油，点火熏呛洞内群众。除几十个中毒轻者侥幸生还外，其余的人均已中毒身亡。共208人熏死在洞中。当天，日军完成对桂林的包围。

　　
　　11月8日，日军集中火炮百门、坦克30辆，支援步兵强渡漓江，突入桂林市区，城内官兵与日寇展开巷战，顽强厮杀。由于日寇凭借坦克、装甲车以及火焰喷射器攻击，中国军队伤亡惨重。

　　
　　11月9日，桂林城防司令韦云淞（第16集团军上将副司令）和31军军长贺维珍，率领少数幕僚弃城逃跑，131师师长阚维雍举枪自杀。11月10日，桂林、柳州同时沦陷。战后根据日军11军统计，桂林战役中国军队阵亡5665人，被俘13151人。170师逃跑时遇到日军第37师团，副师长胡原基以下官兵2400余人在战斗中阵亡，大量官兵被俘。

　　
　　桂林防守战原来任务是要防守三个月，结果由于孤军奋战，仅仅守了3天，即为敌军优势兵力攻陷。撤退时又毫无计划，以致损失十分惨重。曾经拥有50万人口的桂林，变为一座死城。