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确定作战方案之后，憋坏了的多田骏当即命令个军团一级直属部队回去准备，并确定五月初正式向晋南发动全面进攻。
经过十多天的战前准备，数万日军由山东等地调到了山西战场，并且秘密向晋南开进。
当然了，说是秘密，但实际上不管是八路军还是国军方面都有察觉，毕竟这是十多万大军的行动，而不是几十个人，即便是小鬼子想要隐藏队伍也不可能。
只不过大家都在猜测小鬼子这次的目标是谁，是中央军还是晋绥军再或者是八路军，毕竟小鬼子需要针对的目标实在是太多太多了。
在中国军队的观望和戒备中，日军主力抵达了晋南！
5月7日晚间，日军在中条山西部和东部的6个师团又3个旅团合计11万人按计划一齐开始行动，采用分割和作向心攻击。
在西部，敌第41师团和独混第9旅团，发起进攻后，很快即突破第一战区14军、43军、15军的防守阵地，并快速南进，于8日下午即攻占了黄河北岸的垣曲；割断了第5、第14集团军的联系，并与第36、第37师团对第5集团军进行了双重包围，随之开始攻击，守军即退至第二线阵地进行防御。
作战中，第3军、第80军进行了英勇的抵抗，损失严重。
9日晨4时，当敌军已攻至第5集团军司令部所在地夏县以东的马村附近时，曾万钟即率集团军总司令部东移至南涧沟，拂晓接到卫立煌的电话，卫立煌告诉曾万钟，他已派两个团的部队在五福涧以北高地，占领了桥头堡，并征集了10余只渡船，不得已时，各军应逐次南移，在五福涧渡河。
然而令卫立煌等人没有想到的是，就在双方通过电话不久，独立混成第16旅团在9日晨已攻占了五福涧，谷焘所率85师的两个团在该地作战至10日晨，被迫撤回南岸。
第5集团军此时已无法渡河，乃由南涧沟向西北方向突围，结果损失极重，第3军军长唐淮源在极困难中指挥部队战至最后而于5月12日自杀，12师师长寸性奇亦于15日阵亡。
第80军从平陆以东后撤至台寨、师家滩一带时，历经苦战，于11日渡至黄河以南，该军新编第27师师长王竣及副师长梁希贤、参谋长陈文祀等均在作战中牺牲，只有第98军经辗转作战15日突出重围而到达了北面的太岳山区。
第五集团军总司令曾万钟率第3军、15军及94师最后突出重围，向西越过同蒲路南段，渡过汾河、黄河，到达陕西，然后转至洛阳、新安一带。而 93军、第17军亦向西转至稷山和乡宁。
在东部，日军左翼以温县为发起点，先头步兵5000以上，骑兵千余，炮20余门，飞机数十架，战、汽、装甲等车共百余辆，沿黄河北岸突进。
另一股先头2000余人，附炮十余门，于窜陷西向义庄后，继向捏掌、紫陵、东逮寨、留村一带猛扑。
同时，沁河北岸3000余人，以飞机十余架，炮二十余门，强渡沁河。
这些都是隶属于日军第33师团、第21师团以及第35师团的主力，日军在东线的目标是中条山东部刘茂恩第14集团军指挥的4个军又一个师。
在沁阳以西扼守公路的第9军54师，与敌激战至8日8时而后撤，孟县被敌占领。接着敌第21、35师团会攻济源。
当日晚间，济源被其占领，此时第9军接到卫立煌将军的命令，退守王屋镇以东的封门口山区既设阵地，一部于封门口以南的大岭头阻止敌人，以掩护黄河的关阳渡口。
由于西路的敌41师团已于8日的下午占领了垣曲，独混第16旅团继续沿黄河北岸东进，卫立煌将军又令第9军从速由关阳渡口，撤至黄河以南。
然而东西之敌已快会合，加之敌空军对渡口进行轰炸与封锁，不少船只被炸坏，因此，第9军仅有第54师在受到较大伤亡后，渡至黄河以南的官水磨一带，第47师、新编第24师因已无法渡河，而撤至王屋、邵原公路以北，进行游击，并与在该地区的第14集团军取得联系。
敌西路的独立混成第16旅团、东路的第35师团于5月11日在邵原会师。至此第5、第14集团军的南部后方，全部被敌遮断，这一段的黄河渡口亦被敌封锁。
刘茂恩第14集团军之防区范围较大，作战开始时，南部的敌35、21师团。主要是向西攻占孟县、济源县以及王屋镇、邵原镇，以达其封锁的目的，而未作向心攻击，所以该集团军开始曾以在沁水县以南下川地区的第15军、98军一部在横河镇西北的煤坪一带，围攻敌33师团至该地的一部。
当南部后方被遮断敌第33师团作向心攻击，而西部曾万钟的第5集团军情况不明时，卫立煌指示第14集团军主力向沁水、翼城公路以北转移，就地补给，另整态势。
依此，第14集团军令43军布防于垣曲以东的同善直至灵官庙的东西一线。15军布防于同善向北至舜王坪一线，以阻止南路的敌独混第16旅团和21师团及西路的敌42师团。又令在沁水东北王壁镇的第93军进攻沁水之敌，以接应集团军主力北撤。
5月14日，南部在济源至邵原公路一线的敌35、21师团，开始沿公路向北作横向进攻，与阳城的敌33师团夹击第14集团军。
此后，14集团军即陷入混战，不少部队以团为单位北撤，长途转至太岳山区。
43军转至外线以后，由第8集团军（属第2战区）副总司令楚溪春率领，从浮山、翼城之间西进，渡过汾河归还原建制。第14集团军直至敌进攻结束后的6月初，才与第15军等部队退至黄河以南。
退入太岳区的部队此时则统由93军军长刘勘指挥，原分散在敌包围区内的各部队，开始在云雾山地区游击，当得知南撤已不可能时，乃以夜间活动通过敌之空隙西进，越过同蒲路南段，在万荣县以西渡过黄河至陕西省的韩城，然后返回第1战区。
经过几天艰难进攻，日军以伤亡约3万人的代价，突破国军垣曲防线，将中条山根据地一分为二。于是，防守中条山的中国军队不能互相接应，只得放弃既设阵地，各自据守山隘，作无法协调的被动抵抗，整个战局十分危急。
在守军全线溃退的同时，日军以优势的兵力和猛烈的炮火占据了先机， 迅速完成了第一阶段的作战任务——突破了中条山地区的全部防御阵地，先后占领了垣曲、济源、孟县、平陆等县城及相关的关隘据点，封锁了黄河北岸各渡口，完成了对国军的内外侧双重包围，随即转入第二阶段的作战——对数路中国守军各阵地，反复扫荡。
以西线为例，日军各兵团自11日并排向北返转，然后又自5月15日再次转向黄河线，如此再三反复进行篦梳扫荡，一直进行到6月10日。在这样反复扫荡期间，各兵团所到之处消灭了中国军队三千至五千名。
六月中旬，中条山守军大部退出中条山地区，中条山战役落下了帷幕。
中条山战役结果传来，全国震动，26万国军竟然抵挡不住区区十万鬼子兵的进攻，不但被人家突破了阵地，而且还损失了近十万大军，这一仗简直比淞沪会战以及南京保卫战都让人不能接受，甚至于连重庆的蒋委员长也怒吼这是中国抗战最耻辱的一战。