。激战到30日，日军后续兵团竹下义晴的第二十七师团、山路秀男的战车第三师团及藤田茂的骑兵第四旅团已集结在密县和郑州地区，迅速向禹县、襄城和许昌等地猛攻，与李仙洲的第二十八集团军和王仲廉集团军展开激战。5月1日，日军攻陷许昌，并以山路师团和藤田旅团向襄城和郏县突进。3日凌晨，日军侵占郏县和禹县，4日攻占临汝，6日再陷登封、宝丰和鲁山，日军先头部队进抵洛阳以南龙门附近。为了阻滞向龙门突进的日军，第六战区急调刘戡兵团进至龙门、伊川和嵩县一带，暂时稳定了战局。
7日，从许昌南犯的日军竹下师团攻占郾城和漯河。同一天，从信阳北进的日军独立步兵第十一旅团攻占遂平。8日，日军南北会攻夺占西平，打通了平汉铁路。此后，日军集中主力向洛阳进攻。
日军的林芳师团、本卿师团、山路师团、藤田旅团和多贺旅团，分别从登封、禹县、郏县和宝丰地区，向龙门和洛阳实施包围迂回。同时，日军三浦忠次郎的第六十九师团和小原一明的独立混成第三旅团，从晋南垣曲南渡黄河，9日侵占渑池，威胁洛阳侧后，完成了对洛阳的三面包围。
中国第一战区调整部署，除仍以武庭麟的第十五军及第九十四师固守洛阳外，令孙蔚如集团军和刘戡兵团分别撤到洛阳西南的韩城和宜阳地区集结，准备侧击从渑池向洛阳和洛宁进犯的日军。13日，郾师和龙门的各路日军会合在磁涧地区，向集结于洛阳外围的第一战区部队攻击，李家珏的第三十六集团军等部便先后从渑池附近向西转移，日军随即尾追，向西突进，于17日进占洛宁，18日攻陷郏县，20日占领卢氏。
这时，洛阳守军已陷于孤军苦战。中**队为挽救战局，击破日军的攻势，李宗仁第五战区部队和蒋鼎文第一战区各兵团协同，对日军实施反突击，先后一度攻克遂平、鲁山和嵩县，进迫宝丰，截断平汉线。西进日军侧背受到威胁，不再继续向纵深进攻，便放弃卢氏，退守洛宁，将主力向东调动，巩固已经占领的地区。
5月19日，日军集中本卿师团、山路师团和藤田旅团等主力部队开始向洛阳发动进攻，中国守军顽强抗击，使日军攻击受挫。22日，日军三次攻入洛阳城关，都被中国守军赶出城外。23日，日军把进攻重点放在洛阳北面。在日军的持续攻击下，洛阳守军伤亡惨重，第九十四师只剩下1700多人，但他们拒绝了日军的劝降，坚守阵地。24日下午1点，日军向洛阳发动总攻击，攻破洛阳东北角。洛阳守军被迫于当晚10点向洛阳东南突围。25日，洛阳失陷。
以洛阳被日军占领为标志，历时1个多月的豫中会战结束。日军在这次会战中打通了平汉线，击溃了蒋鼎文第一战区主力，达到了作战目的。第一战区损兵折将达20万人之多，丢失38座城市，河南省几乎全部沦陷。刘昌义军第二十九师师长吕公良，该师第八十五团团长杨尚武，第八十七团团长李培芹，第八十六团营长胡光耀，第八十七团营长何景和，以及第二十九师全体士兵，都在战场上牺牲。李家珏和他的集团军总部副官处长周鼎铭以及步兵指挥官陈绍堂，也在战斗中遇难。