当时保卫武汉的军事部署是这样的：
第一部分是守黄河的，第一战区用一部分兵力防守黄河及在豫东、鲁西和豫北游击，把主力用在确山、汜水之线，置重点于禹县附近，相机转移攻势，并用一部分兵力在前方诸要点迟滞敌人；但须另有一部分兵力集结在泌阳附近，作为战区预备队。
第二部分是阻敌西进的，第五战区在逐次抵抗后，淮北兵团集结在商城附近，准备侧击向西南突进的敌人；淮南兵团派一部分兵力集结在舒城、桐城、霍山、六安等地，阻止向西进入的敌人；另派一部分兵力固守安庆、无为、庐江等地，准备侧击沿长江西进的敌人。无论情况如何变化，均须确保大别山根据地和苏北，并向津浦路南段游击。
第三部分是江防的，第三战区应速整备江防。尤其在东流和马当间备战，阻止敌人登陆，或援助安庆方面的战事。派地方团队及民夫在杭甬与浙赣两铁路、杭徽及京赣各公路附近构筑工事，同时在上述各交通线上集结适当兵力，随机攻击敌人。
第四部分是城防的，武汉卫戍总司令部把主力放在广济、平靖关之线的主阵地上，置重点于武胜关、麻城和广济各公路附近，相机转移攻势；并派一部分兵力在信阳、罗山、宿松各要点与第五战区协力消耗敌人。第一兵团总司令薛岳部的六个师担任江防，置重兵于马当，逼迫敌人的主力在鄱阳湖以东作战。武汉城防用八个师。
第五部分是守平汉路的，豫鄂边区总司令汤恩伯部在随县、襄樊、南阳间地区集结，准备侧击由平汉路南下的敌人，帮助武汉卫戍总司令部作战。敌人如由陇海路南向西或向西南突进时，则派有力的部队协助第一战区作战。
此外，空军集中在汉口及南昌机场，昼夜轰炸长江中的敌舰，并袭南京、芜湖、安庆一带沿江的日军飞机场。海军防守马当、湖口、田家镇、葛店等沿江要塞，适时布放机雷与漂雷，防止敌舰西进。当时，中国从海外买到飞机100余架，炮（轻榴弹炮、野炮、高射炮、战车防御炮）100余门，正在庐山、幕阜山、大别山各要隘及武汉附近构筑纵深工事。
当时，日军纠集12个师团，配合海军陆战队及飞机500余架，分四路进犯武汉。其在江南者，一路沿南浔路南进，一路沿瑞武路西进；其在江北者，一路沿长江北岸迳扑汉口，一路沿大别山北麓，进犯信阳，另以舰队溯江而上，到处登陆。冀以外线作战态势，实行包围歼灭中国军队。
自6月12日日军攻陷安庆至10月25日武汉失守，蒋介石一直驻守武汉，亲自指挥。其间，前线将领随时向蒋介石电告战况，蒋介石则常常亲自电令部署战斗。开战后不久，蒋介石先将作战地区作了重新调整。7月13日他下令将长江北岸改属第五战区，武汉及长江以南属第九战区。会战期间，蒋介石还不时召集高级将领，发表谈话，强调武汉保卫战的重要意义，鼓励将士们奋勇抗战。
7月31日，蒋介石召开保卫武汉的各部队官长会议，在会上作了长篇训话。一开张，他就说：“此次保卫武汉的战役，乃是我们国家前途和整个抗战局势最重要最紧急的关头，其成败得失，内则关系我抗战前途和国家民族的安危，外则足以影响国际的局势，实在是关系重大的一件大事。”
蒋介石认为所以要保卫武汉，第一，“武汉居长江上游，为天下之中，无论我们要控制东南和华北敌人，规复已失的领土，或保持内部与西北的联络，巩固后方的安全，我们都必须保卫武汉，固守武汉”。第二，武汉为“全国交通的总枢”，为确保南北两战场的联系，便于兵员、弹械、粮秣的接应和兵力指挥运用灵活起见，必须保卫武汉，固守武汉。第三，武汉为“全国军事政治经济文化的中心”，亦为事实上的首都，必须尽力保卫，抵死固守。第四，辛亥以来，武汉是革命的中心重镇，为中华民国的诞生地，为确保历史的光荣，必须效法当年革命先烈光复武汉的革命精神，确保武汉的安全。
接着，蒋介石分析了日本的国际危机和日军进犯武汉的弱点，对与会的各部队长官提出了保卫武汉与争取最后胜利应有的决心和精神：第一，高级将领应抱定必死的决心，誓与武汉共存亡；第二，高级长官应始终不离部队，誓与士兵共患难同生死；第三，高级将领应有坚决的企图心，虽天崩地裂，此志不移，誓死求其贯彻。
最后，蒋介石对与会的将领说：“现在全国乃至全世界的视线，都集中在武汉，大家都密切注视保卫武汉战争的开展，各位此次奉令率部守卫武汉，职责异常艰巨，使命格外重大，今后武汉的存亡，整个抗战的胜败，要由你们负起全责。”“我们一定要藉此一战，将寇军主力歼灭于我阵地之前，这样，才算达成我们的任务，才对得起总理和一般革命先烈在天之灵。”
8月27日，蒋介石再次召开部队将领会议，先听取了几位师长的报告，然后发表了《保卫武汉的责任和要务》的长篇演说。在演说中他列了7件事，一是关于兵力配备和工事改良，应按照此次总检阅报告重新部署，切实改行；二是各高级军事机关应指导并协同武汉卫戍司令部负责办理保卫武汉一切准备事宜；三是阵地工事应切实改进，逐日加强，尤应多筑伪装及掩蔽部；四是军政部应于两周以内将保卫武汉各部队所缺人员与器材等补充完竣；五是各防区部队应切实组织民众训练民众，对于一切物材并应调查统计，充分利用；六是战时的联络和一切辅助通讯方法，应切实研究熟练，及早充分准备；七是各种报告务求数字精确实在，戒除含糊笼统的恶习。
最后，蒋介石又说：“最重要的一点就是武汉现在已成了我们抗战革命最重要的根据地，也是全世界视听所集中之点；武汉如能固守，即是我们最后胜利的开始，武汉若有疏失，就要使抗战前途加重不知多少倍的困难。武汉的得失直接关系于整个抗战的胜败和国家民族的生死存亡，因此，我们一定要拼死固守，誓死保卫到底！”
但是，战局的发展，远非蒋介石所愿，虽然节节抵抗，却节节败退。