孝感是武汉正北最后一道外围屏障，西线所有溃逃日军全部收拢于此，城内日军合计1800人、伪军2600人，依托孝感老城高大砖石城墙死守，战前提前囤积大批量催泪、糜烂毒气手雷，计划依靠化学武器阻挡国军攻坚攻势。
攻坚主力为新编第18军228师、229师、230师，每个师出动两个团共6个步兵团，总攻发起之前，战区直属重炮师持续2小时饱和炮击，城墙多处大面积坍塌，绝大多数城墙固定火力点被炮火摧毁。
步兵入城推进至城市中心街区时，躲藏在楼房暗室的日军小队突然批量投掷毒气手雷，街巷迅速弥漫淡黄绿色刺激性毒烟，前沿683团1连、2连士兵出现流泪不止、皮肤灼烧红肿、呼吸困难等重度中毒症状，一线阵地被迫临时后撤800米。
前线官兵立刻佩戴战前统一配发的防毒面具稳住二线机枪阵地，团直属火焰喷射连快速向前推进，逐一焚烧日军藏匿毒气的房屋、地下暗室，同时呼叫中美联合航空队战机精准空袭日军毒气储存仓库，半小时之内彻底遏制毒气攻势。
稳定阵线之后，四个步兵团预先划分独立街区，逐街逐屋清剿负隅顽抗的日寇，日军失去化学武器底牌之后全军士气彻底溃散，抵抗力度大幅衰减。
1月23日下午16点，孝感全城残敌全部肃清，西线五座预定攻坚县城全部收复。15万第56集团军分驻武汉西郊、北郊阵地，完整构建武汉西北方向包围圈。
南线战场1月15日与西线同步打响进攻，潜江是南线日军核心守备据点，驻守日军第39师团232完整步兵联队，日军可战兵员2420人，协防伪军5100人，是七座外围县城之中日军综合战力最强的一处据点。我方参战细化至团级编制，
宋希濂第11集团军71军87师259团、260团从东门、北门发起正面攻城牵制攻势；杜聿明第5集团军第5军200机械化师599装甲团绕至城南湖区小路隐蔽穿插，彻底切断日军向南唯一突围通道；重炮第13营12门105毫米榴弹炮全程提供远距离火力支援。
第一阶段正面牵制作战，259团、260团持续对潜江东北两门发起波浪式冲锋，吸引城内日军全部主力固守正面城墙，日军所有重机枪、掷弹筒、小队预备队全部调配至东北两门布防，南侧湖区防线兵力极度空虚。
第二阶段装甲迂回切断敌军后路，599装甲团32辆改良九七式中型战车沿湖区泥泞小路隐蔽穿插，抵达潜江南门外主干道，直接封锁日军唯一向南突围通道。
日军察觉后路被彻底切断，紧急出动4辆九五式轻型坦克反扑突围，全部被我方37毫米战防炮、战车主炮当场击毁3辆，剩余一辆日军战车丢弃乘员仓皇退回城内。退路完全封死，城内日军彻底沦为瓮中之鳖，无任何撤退空间。
第三阶段城内36小时惨烈巷战拉锯，日军无路可逃依托城内砖石楼房分段死守，两军反复争夺城市中心商业街。
259团3营在商业街遭遇日军一支加强中队死守，全营连续激战8小时，营长中弹负伤，5名连排长先后阵亡，依靠班组交替掩护、火焰喷射器清楼战术，全歼这支顽固日军中队。
1月19日傍晚，城内日军联队长看见全军覆灭已成定局，在联队指挥部切腹自尽，日军232联队全员被歼灭，无一人成功突围逃窜。
南线两大集团军占领汉口东郊、南郊沿江高地，封锁全部长江渡口，武汉东南合围圈成型，东西两线数十万大军完成对武汉的战略包围，城内日寇已成笼中之兽。