随着战役的顺利发展，原来作为战役预备队的第20军被重新赋予了任务，向广州进发，拿下这个日军在西南最后的希望之地。
第20军离开中原时，整个军已经被打残，全军不到10000人。达西南后，粟裕将大批当地有着高昂的革命斗志、坚持游击战十六七年（1927年开始）的老战士补充到部队中去，同时从榆林步校和共产党那抽调了1000多名军官加强部队的领导指挥能力。虽然成立时间不到一年，战术配合还有待进一步提高。但全套的日式武器装备，加上部队中大量配备的冲锋枪和数量上超过日军甲级部队的火炮配置，使得这时的日军部队，即使是甲级师团也未必能够抵抗的住他们的攻击。何况补充的官兵战斗经验丰富，对周边地形极为熟悉。
7月17日上午，第20军直属独立旅在军直属炮兵团150mm重炮营12门火炮的支援下，对早就处于包围之中的汕尾发起攻击。
驻守该地的日军一个联队部和一个大队日军共1000多人，分别把守着玉台山和奎山，利用有利地形进行顽抗。
不料协助防守的保安团800多人突然战场反正，配合独立旅很快消灭了据守奎山的两个中队近400名日军，整个日军防线立刻崩溃。据守玉台山的日军见势不妙，急忙向海港撤退。独立旅的官兵那里能放他们逃跑，北面保持攻击，东、西两面包抄，将撤退下来的500多名日军全部打死在玉台山下的小河沟里。
据守在汕尾城西海港附近的日海军部队500多人一看形势不对，连忙爬上事先准备好的小船，狼狈的逃往了香港。
拿下汕尾后，独立旅把汕尾的防务交给海陆丰独立营和反正的保安团。部队沿海边连夜直奔平潭镇而去。
第20军军部和133师出河源，部队一路作战，于攻击发起当日晚，占领了博罗县城，与独立旅从南北两面对惠州形成夹击之势。
20军134师和新编20师两个师出韶关，当日晚到达英德城下，部队连夜采取偷袭的办法，在城内伪军的协助下，迅速占领了该城。
从中国军队攻占韶关的那一刻开始，日军大本营就意识到战役的可怕后果，可苦于南洋战场在美军的攻击下处处吃紧，或无兵可调或距离太远，最后决定从台湾抽调独立混成第102旅团，立即乘船赶往汕头地区登陆，企图采取围魏救赵的战术，攻击第四十四集团军的后方，迫使第四十四集团军回援，为日军东路集团减轻战场压力。
7月16日18：00，得到炮兵和装甲兵加强的日军独立混成第102旅团共1.1万人，在全部人员和装备完成登船后，运输船队起航，直奔汕头而去。
日军大本营给予希望的这只奇兵，还没有出航，有关部队配置、渡海航线等情报，即被中日开战前就潜伏在日本帝国海军作战部的副部长渡边信夫（76-乘火打劫）传送到军事情报局。
刘潇接到电报后，立即让留在南海一带执行封锁任务的中国海军第二潜艇分舰队进行拦截。
7月18凌晨3：15，汕头东面海域中彭岛北面海域201号潜艇上，中国海军第二潜艇分舰队司令林福海趴在潜望镜跟前，兴奋的看着越来越近的日军船队，嘴里念叨着：“这小日本算是完蛋了，这么大一个运输船队，就派四条老式小型驱逐舰来护航，不是拿人命开玩笑吗？！”
一旁的火控军官张彬宇调侃的说道：“司令今天怎么了，心疼起日本人来了。”
林福海头也没有抬的说道：“你懂个屁，这只队伍基本上是由台湾人组建的，也不知道他们是怎么了，连自己是中国人这点都忘了，紧跟着小日本后面做什么。算起来他们的祖籍应该是河南的，说不定还有和我一个宗室的呢。”
副艇长板著脸，一副认真的样子说道：“全部击沉后，我们捞几个上来问问，看有没有姓林的，说不定能捞到司令的亲戚。”
一句话把大家全说笑了，林福海抬起头笑骂道：“去你个蛋的，能捞到你们家亲戚。”
“妈的，第一潜艇分舰队的王金山在东面，大规模的海战全被他捞到了，你看他牛的，整天报纸广播上都有他。今天我们可要好好打，也在报纸上露把脸。”林福海认真的说道。
玩笑归玩笑，可在正事上林福海从来不马虎。收回潜望镜后，林福海命令潜艇航向调整到026，低速潜航，利用被动声纳和海图，慢慢的进入到日军运输船队的左前方。
当潜望镜再次升起时，201号潜艇正好处在护航驱逐舰左前方，两者相距一海里，成四十五度夹角的有利攻击位置。
林福海趴在潜望镜上将对方的速度、航向报给了火控军官，张彬宇通过计算立刻给出了攻击方案。
林福海随后命令道：“鱼雷定深3米，一号发射……二号发射……三号发射……四号发射，放下潜望镜。”
之后林福海说道：“计算接触时间！”
手掐秒表的张彬宇立刻报告：“预计接触时间为82秒。”
当秒表走到第81秒的时候，水面上传来“轰隆隆”的爆炸声，全体艇员高兴的眉飞色舞手舞足蹈，大家无声的庆祝着。
第四下爆炸声响起后，林福海升起了潜望镜，趴在潜望镜上观察海面。只见四艘驱逐舰都冒起了浓烟和大火，漂浮在海上，在一阵阵的汽笛报警声中，舰上的日军官兵如同下饺子一般的跳入海中。
由于中国海军使用了可以自动寻的的音叉鱼雷，即使对付高速航行的战斗舰只也基本上能够准确命中，只是音叉鱼雷太昂贵罢了。
观察海面战果后，林福海让鱼雷舱把剩下的两枚音叉鱼雷换下，全部装上便宜的自控鱼雷。潜艇向一艘被炸掉舰首还在漂浮的驱逐舰靠过去，在800米的位置上用一发鱼雷把它彻底送进了海底。
打掉全部四艘护航的驱逐舰之后，潜航的五艘潜艇全部浮出了海面，水兵们立刻出仓进入炮位装弹调整射击方向，将潜艇上的152mm大炮指向十一艘没有武装的日军运输船。
林福海对信号兵说道：“发信号，命令对方立即停船投降，否则我们将击沉他们。”
信号兵手拿信号灯，使用国际通用的灯语命令对方停船投降。但日军运输船纷纷掉转船头，加速向外海逃窜。
见对方没有停船投降的意思，林福海下令进行炮击，同时让电台通知汕头守军派当地渔民出海，前来打捞落水的日军士兵。
各潜艇上的水兵虽然整天的操练火炮射击，但海战基本上是由鱼雷来解决。他们整天在艇上也就是紧急情况下，前后舱来回奔跑增加下潜和上升的角度，要不就是潜艇被攻击受伤的时候进行堵漏，好事从来没有他们的份。今天总算得到一个亲自上阵操炮射击过瘾的机会，大伙卯足了劲打靶一样连续射击。
当天边开始发亮的时候，五艘潜艇总算把十一艘日军运输船全部打沉，在确定海面上再没有日军船只后，中国海军第二潜艇分舰队的五艘潜艇缓缓的下潜，三艘潜艇向着台湾方向潜航，做好迎击台湾方向前来救援船只的准备，另外两艘赶往广州外海，和留在那里的三艘潜艇汇合，执行战斗巡逻任务。
由于广州的守军力量不足，当第20军兵临惠州城的时候，驻守此地的日军一个联队急忙撤往广州城区。
拿下惠州后，第133师沿东江北岸向增城、黄埔一线攻击前进，从东面逼近广州市区。
第20军军部其他直属部队和独立旅对东江以南、珠江以东、香港交界线以北的区域内进行扫荡，彻底清剿该地区的日军残余。
看到自己国家的军队打回来了，赋有反抗外国侵略者传统的该地民众，纷纷出来给中国军队带路，不少家中有枪的人也拿起藏匿了多年的枪支，加入到清剿日军和那汉奸的行动中来。当地的老人、妇女和儿童，烧水做饭，帮助照顾伤兵。部队中那些共产党游击队出身的官兵对这种情况早就习惯了，倒是队伍中那些川军兄弟被感动的热泪盈眶，吃饱喝足后，拿起枪，只要那里有枪声就不要命的往那里冲去。
在围剿区域内广大百姓的帮助下，通过官兵们的勇敢战斗，18日一天，区域内的所有日军和汉奸分子就被全部肃清。
独立旅沿香港界河一线布防，监视香港的日军。军直属炮兵团则占领沙角炮台封锁珠江水面，堵死日军利用珠江逃跑的线路。
由于日军利用山区地形，在险要处设立防御阵地，第134师和新编第20师出英德后，一路不断的进行战斗。当第133师攻占黄埔一带后，负责阻击第134师和新编第20师的日军部队，因为害怕被截断退路堵在山中，急忙后撤回广州城内。
虽然三个师奋力追击和拦截，但也只抓住后撤日军的一个大队，三个师的先头部队那个也不客气，不待统一指挥，一个冲锋就把日军一个大队全部消灭掉。
7月20日，打出山来的第20军三个师，分别从广州的东、西、北三面协同发起进攻，很快进入市区展开巷战。
广州市区里国共两党的地下反抗组织和爱国市民，纷纷拿起收藏多年的武器，或为自己的军队带路绕过日军据守的要点，从背后袭击、消灭日军夺取要点，或者直接发动袭击，打死掉队和少数日军据守的要点。
广州城内的伪军和负责治安的警察，这是也变得让日军不知道该怎么办了，常常是中国军队刚发起进攻，这些原来为日本人服务的中国人就从背后打起黑枪，让日军腹背受敌，不得不撤出要点，另寻地方重新建立防线。
在第20军的猛烈攻击下，加上广州市民的激烈反抗，7月22日晚，日军匆忙从广州撤出，部队向北经江门逃往遂溪一带。
7月23日，第20军占领广州。
在衡阳与郴州之间被包围的日军东路集团中高级军官，近十天来在中国军队三十万人的围攻下，努力的抗争着。
无论是对方猛烈的空中轰炸还是地面大规模的炮击，突破中国军队防线把部队带回广州的信念始终在支撑着他们。可在连续得到增援部队海上被歼、广州失守的消息后，心中坚守的那份信念彻底破灭了。
23日下午开始，日军东路集团的五万多人突然停止了有组织的突围行动，许多日军开始不成建制的向四处胡乱攻击，根本没有规律。
粟裕也被这样无序的四面攻击搞糊涂了，急忙命令各部队抓紧对俘虏进行审问。不久，情况报了上来，原来是日军许多中高级军官见突围无望，精神彻底崩溃后纷纷开始剖腹自杀，整个部队处于混乱无序的状态，部队在下级军官的带领下，开始了自行突围行动。
粟裕司令官立刻命令各部队发起总攻，全力击溃当面日军。原来顽强抵抗的日军，这时如同一盘散沙，在各部队的攻击下一触即溃，纷纷逃入深山。
最搞笑的是日军第四师团，当第13军部队发起攻击后发现，整个师团剩下的1.3万人，整齐的集合在常宁县城里。当中国军队到来的时候，所有人既不抵抗也不投降，听任中国士兵从他们手上把武器拿走。
事后了解到，原来第四师团的高级军官自杀后，没有人愿意挑头承担战场投降的责任，于是大家商量出集合在一起，既不抵抗也不投降，听任对方拿走武器的鸵鸟办法，反正部队的失败没有人来单独承担责任。
经过战场统计。此役，日军中路集团打死0.9万人，被俘2.1万人，尚有2万多人逃入深山。
粟裕命令第三十一、二十四两个集团军和63、65两个军箍紧包围圈，对逃入深山的日军进行清剿，请求军委会立即调军犬进行搜山。
第四十四集团军第13军和新编第6军收拢部队，之后出新田经道县，往西直插阳朔、平乐两县，从东面逼近桂林和柳州，配合第十六集团军消灭日军中路集团的四个师团。
随着时间的推移，日军中路集团的形势变得越来越危险了。