武汉会战后，日本大本营为适应未来国际形势的发展变化和侵华战争持久化，决定无特别重大必要，不再扩大侵占地区，并将已占领地区划分为“治安区”和“作战区”两种，华北和京沪杭地区为治安区，配备相当的兵力，负责消灭游击部队等抗日势力，维持“安定”，确保各主要交通线；武汉地区为作战区，控置有力的机动兵团，实施局部攻势，以不断的短促出击，歼灭周围的中国军队主力，消耗其战斗力，打击其抗战意志。同时，积极扶植伪政权和进行战略轰炸，企图迫使国民政府屈服。1939年间，日军分3期新建11个新制步兵师团（3联队制）、14个守备混成旅团（火力加强、机动力较小）。除第24师团调入关东军外、其余全调至关内战场；而将原在关内的9个师团（第9、第10、第12、第16、第20、第101、第108、第109、第114师团）调回日本。并于9月成立中国派遣军总司令部，设于南京。以西尾寿造为总司令官，统一指挥关内的侵华日军，至1939年冬，关内侵华日军共有25个步兵师团和20个步兵旅团、2个野战重炮兵旅团和2个飞行团。总兵力约80万人。
武汉失守后，中国军队主力扼守要地，与日军对峙，分遣一部加强敌后游击，同时抽调第一线部队轮流整训。1939年7月26日，美国废除《美日通商航海条约》；8月23日，德苏缔结互不侵犯条约；9月1日，第二次世界大战爆发；9月19日，美国在东京公开表示坚决反对“东亚新铁序”。一连串国际事态的发展，对国民政府产生了积极的影响。10月29日，国民政府在南岳召开第二次党政军联席会议，蒋介石在讲话中，一面介绍国际形势，认为“已临到胜利的一个大转机”，说中国的抗战，只有“与世界战争同时结束，才能获得最后的胜利”；一面提出第二期抗战的战略，“应该是见到敌人的破绽，见到敌人厌战怕战不敢前进的时候，我们就立刻采取攻势，决然攻击前进”。要求“今后的战略运用和官兵心理，一定要彻底转变过来，要开始反守为攻，转静为动，积极采取攻势”。此时，第二期整训已大体完成。军事委员会为给予日军以更大的消耗，于是策划发动冬季攻势，将第二期完成整训之部队，分别增加至第二、第三、第五、第九战区，作为主要攻势地区，第一、第四、第八、第十、鲁苏、冀察等战区，作为策应攻势地区。
1939年11月中旬，军委会指令各战区的作战任务是：“第一战区，攻击开封、博爱，牵制敌人。第二战区，应首先切实截断正太、同蒲两铁路之交通，并肃清晋南三角地带之敌。第三战区，应以主力约11个师，截断长江交通，分由湖口、马当，东流、大通、铜陵、荻港间，伺隙进攻，一举突进江岸，占领坚固阵地，并以轻重炮兵火力及敷设水雷，封锁长江。第四战区，应以一部相机攻略湖、汕，主力扫荡广九路及南宁之敌。第五战区，扫荡平汉线南段信阳、武汉之敌，进取汉口，并向汉宜公路之敌攻击，截断襄花、汉宜两公路之交通。第八战区，应以一部协同第二战区作战，主力攻击归绥附近之敌。第九战区，应向粤汉北段正面之敌攻击，重点指向蒲析、咸宁一带，并向武昌挺进，同时攻击南昌及南浔铁路，进袭瑞昌、九江之敌。第十战区，仍任原河防，并依晋南三角地带攻击之进展，准备以一部渡河扩张战果。鲁苏战区，应以广正面由东西两面向泰安、临城间及铜山、滁县间攻击，以策应沿江方面之作战。冀察战区，应以主力切断保定、邢台间及石家庄附近敌之交通，一部切断沧县、德县附近敌之交通，以策应山西方面之作战。”
日军侦知中国军队将发起冬季攻势后，一方面加强各要点的防御，增强其兵力装备和工事；一方面组织出击，以进行牵制。同时，各师团均组成一支机动部队，准备随时投入不利之地点。并将12月初已撤离南昌、安义，奉命回国，集结于九江等船的第101，第106师团，暂留该地，以作为应付冬季攻势之战略性机动兵团。
第一战区于12月1日开始行动：第3集团军以豫皖边区游击队切断兰封东西一段陇海路，以第81师一部向兰封，主力向开封袭击，12月17日突入开封，焚毁日军第35团所属部队的一个指挥部及仓库；21日，骑兵第2军一部，袭击商丘，焚毁日军机场汽油仓库；1940年元旦，第9军第47师，一度攻人沁阳，歼日军一小部；新5军、第47军等，曾进出至安阳附近，并破坏了汤阴南北铁路桥，使交通中断数日。
第二战区于12月10日开始行动，由于日华北方面军采取主动出击、以攻为守的方针，令第37师团为主的部队首先进攻中条山，所以战区主力第4、第5、第14集团军仅进行了阻击日军的作战；第27、第40军等攻击晋东的日军，一度攻入黎城、涉县、路城。
第三战区于12月16日开始行动。以第32集团军及第10集团军，分别袭击南昌、杭州日军，以第18、第25、第86、第21、第58军共14个师，编力长江方面攻击军，区分为左、中、右3个兵团，沿长江攻击日军第116师团各要点，并在大通、获港间袭击日舰，布放水雷，将长江航道遮断。9日，日军第11军以第101、第106师团增援反击，攻势受阻。第三战区令各集团军退守原阵地，改变战法，以小部队分向江岸行广正面渗透，邀击日舰。第32集团军曾于12月12日和18日，以游击小部队潜入南昌进行袭扰。第10集团军一部兵力，于12月13日晚分别袭扰杭州富阳、余杭等地，焚毁一些仓库。日军于1940年1月21日实施反击，攻占萧山。
第四战区在攻势行动时，日军先行发动攻势。广西方面，日军发动南宁会战；广东方面，日军第21军以第104师团主力及第18师团一部，于12月8日分沿东江及粤汉路北进。至12月末，攻破翁源、英德。第54军增援到达，经战斗，日军于1940年1月16日撤回原阵地。
第五战区于12月12日开始行动，将部队区分为6个兵团：以第2集团军第68、第92军及豫鄂边区游击总队共4个师1个游击总队，为豫南兵团，由平汉路以西、信阳南北地区向日军进攻，并派部队破坏信阳外围交通。15日，信阳日军发动反击。1940年1月3日，第31集团军（第13、第85军）加入作战，向花园、广水方面进攻，7日攻占花山。日军第3师团实施反击，于18日攻破高城，激战5日，日军撤走。以第22集团军（第41、第45军）、第39军及第1游击纵队共6个师、1个游击纵队，为左翼集团，由随县向其以东之日军第3师团攻击，一度进展至昌水以东，遭日军反击后撤回随县一带，与日军交战。以第33集团军（第55、第59，第77军）及第29集团军（第44、第67军）共11个师为右翼集团，东渡襄河，向钟祥及其以南的日军第13师团攻击。日军发起反击，双方对峙于长寿店、钟祥之线。以第75、第41军、第128师及鄂中游击队为江北兵团，由沙阳、新城等处东渡襄河，向皂市攻击，策应右翼集团之作战。日军增援后反击。12月22日，兵团退守河西。以第70、第48军及游击部队为鄂东游击军，由平汉路以东向广水、信阳线上日军第39师团进行攻扰，以牵制日军行动。以第84军为预备兵团，控置于枣阳。
第八战区于12月18日开始行动。以第35军（约2个师）攻击包头，第81军一部攻击安北（大余太），以骑兵第6军攻扰及破坏绥包路，阻止日军增援。20日晨，第35军一部以奇袭突人包头市内，以主力设伏歼援。驻固阳之日军第13骑兵联队中伏，被歼大部。安北战斗亦予日军重创，第4骑兵联队长被击毙。包头战斗持续至23日，方撤出市区。1940年1月，驻蒙日军集中第26师团及骑兵集团主力进行反击。2月3日占五原，4日占临河，5日占抗锦后旗。2月中旬，撤回包头。留于五原之一部日军及伪军，3月间被全歼。
第九战区于12月12日开始行动，以第1、第19集团军主力（5个师强）向靖安、大城日军第34师团攻击，一部向永修、德安进出，破坏南浔路交通；以第30集团军主力（4个师）向箬溪、武宁攻击，牵制日军第33师团，一部向阳新一带出击，破坏咸宁、武昌间之交通，并掩护第27集团军之后侧背；以第27集团军（6个师）向通山、咸宁、崇阳、蒲圻攻击，尔后向西包围日军第6师团；以第5集团军一部（约5个师）向通城，岳阳附近攻击，以牵制日军第6师团。至1940年1月，一度攻破靖安及通山、阳新附近之一些据点，但伤亡较大；后停止强攻，改为破坏交通为主，粤汉、南浔路及湘、鄂、赣边区交通设施，多被破坏。
1940年3月末，军事委员会下令备战区停止攻击。
此次冬季攻势作战，历时3月，杀伤日军数万人，俘400余人，获火炮11门、步枪2700余支，破坏交通及军事设施甚多，在战略上达到消耗日军之目的。但中国军队伤亡亦极惨重，在日军3倍以上。