桂林守军原为广西桂军第三十一军(下辖第131师和第188师)、第一三五师及部分地方守备部队，在战役开始之前，上层又把第188师调出，以第四十六军的一个大部分是新兵的后调师第170师来替换，同时把第三十一军副军长冯璜及第131师第三九一团调出桂林，其后又把第135师和地方守备部队也调走，这就使得桂林守军只剩下桂军缺少一个团的第131师和第170师，第170师说是一个师，其实兵力也仅仅相当于一个团而已，在后来的战斗中也编入了第131师。而国民政府统帅部的开始的意思是要全部放弃桂林、柳州一线，但是后来白崇禧又要求坚守桂林，为日后反攻争取赢得时间，所以在15万装备精良的日军面前，桂林守军只有广西桂军第131师的1万2千余人，加上后来从各地自发进入桂林城的广西地方民团，总兵力不到2万人，没有坦克飞机，只有22门火炮(加农炮两门炮，山炮12门，高射炮4门，战车防御炮4门)，大部分广西民团和少部分桂军士兵拿的只是土枪而已。

但是桂林守军都抱着必死决心与桂林共存亡，所以士气十分高涨，而且守军立足于与日军打巷战，他们把所有的房子都修成了碉堡，在所有的路口都建了防御工事，所有的水井都下了毒，实行焦土抗战。广西地方民团更是组成了数千人的敢死队，他们的任务是身上绑上手榴弹或者炸药，然后用自己的身体炸毁日军的坦克和登陆艇。

1944年10月28日，日军十几万人马开始大举进攻桂林。日军在飞机大炮的掩护下向桂林城外的屏风山、猫儿山等四个据点进攻，驻守这里的桂军2个营700余官兵一直抵抗到11月4日。11月4日当日屏风山、猫儿山等阵地失守，日军开始直接进攻桂林城，并且派登陆艇试图从水路攻击桂林，桂林守军进行了异常顽强的抵抗，日军曾经27次冲入桂林市中心，每次都因为陷入巷战的泥潭使得损失惨重而不得不撤出，日军曾经想从漓江迂回进攻桂林，但是被桂军准确的火力杀伤大半，地方民团敢死队甚至身上绑上手榴弹划着竹排去炸毁日军的登陆艇，日军仅仅在漓江上就付出了阵亡7000余人的巨大代价。

在水上战斗激烈的同时，城区巷战也始终处于白热化状态，日军第58师团师团长在日后的战报中称：“我师团在桂林遭到了广西当地土著武装的顽强阻击，这些土著武装的装备虽差，但是极为凶悍，至死决心甚浓，其勇猛为我军远远不及，我军士气低落到极点…”，日军下级军官也有过这样的记录：“自小听说之桂林景色宜人，为世之罕见，但今日我军遭到了自战争以来最凶猛的抵抗，城中到处都是枪声，到处都是地雷，全城都在肉搏，我大队900余人在战役结束后仅剩70余人，且多为伤兵，在战后从敌军死尸上发现桂林之敌军的武器竟然大多为我日本国40多年前已淘汰的火枪，如此简陋的武器居然令我们遭受到如此巨大的伤亡，虽为敌人，但亦为之忠勇精神而感概。”

1945年8月，美国 LIFE 《生活》杂志记者拍摄的桂林城，一片焦土，满目疮痍。

到了11月7日，日军见强攻伤亡巨大，急忙使用了大量的毒气弹攻击桂林各处守军阵地，守军中大多数没有见过毒气，不知道躲避所以大量中毒死伤，其中800名桂军士兵(多为伤兵)在七星岩抵抗日军数日，日军在损失了近千人后向七星岩内施放毒气，七星岩内桂军官兵大量中毒，日军此时冲入其中，很多桂军士兵用剩下的一点点力气射击日军并同日军肉搏，但终因中毒确缺少力气和弹尽粮绝而全部被日军杀害。

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