洛阳为中国的文化古都，日军为保障平汉铁路安全通车，防止中国军队由潼关向河南反击，急欲夺取洛阳。中国第1战区遂调整部署。除仍以第15军及第94师固守洛阳外，令第4集团军和刘戡兵团分别撤至洛阳西南之韩城、宜阳地区集结，准备侧击由渑池向洛阳、洛宁进犯之日军。

洛阳守军是国民革命军第十五军、第十四军九十四师。十五军系豫西镇嵩军余部经过改编的“杂牌军”，下辖六十四、六十五两个师，兵力约1万人；第九十四师是蒋介石的嫡系部队，建制完整，有众8000余人。两支部队共3个师约1.8万人。5月7日，十五军军长武庭麟召开军事会议，部署洛阳城防，决定由六十四师守西工，六十五师守北邙，九十四师守洛阳城。十五军军部置于洛阳北面的制高点上清宫，统观全局。部署既定，各师进入防区，筑堡、布雷、设鹿砦、修工事，做好了反攻击准备。从5月10日日军局部进攻洛北到25日晨洛阳失陷，洛阳守军进行了长达15日的浴血保卫战，呈现出一幕幕惊心动魄的战斗场面。

5月9日，日军搜索部队从龙门进至安乐一带，九十四师警戒部队迎击该敌，双方激战1小时，各有伤亡。该敌不再恋战，退往东塔湾。为迟滞敌人进攻，九十四师工兵连提前炸毁了洛河上的钢筋水泥桥——林森桥。

5月10日拂晓，日军出动飞机轮番轰炸洛河北岸九十四师二八二团主力营防御阵地，接着又动用300多门山炮、野炮隔河炮击，炮击过后，以200多辆坦克冲击前进，由于洛河水深没膝，敌坦克行驶不便，便排开队列朝北岸炮击。二八二团主力营营长夏念民指挥战士沉着应战，待敌步兵渡河一半时以火力封锁河面，进入洛河之敌有来无回，尸体飘浮水面。日军不敢再渡，于对岸隔河集中火力炮击。战斗中，营长夏念民中炮壮烈牺牲，全营战士化悲痛为力量，在炮火中坚守阵地整整1日，日军几次强渡均告失败。11日拂晓，日军飞机对洛河北岸防御阵地实施地毯式轰炸，敌出动重型坦克、骑兵向北岸发起波浪式进攻，双方激战1日，死伤累累，血染河水，战至天黑，日军退走。九十四师河防营因损失过半，接师部命令，退守周公庙。

猪龙嘴在洛阳城东北邙山南麓，是一条东西狭长的凹道，长约2公里，深约数尺，宽度仅容一辆车行驶。5月11日上午，日军1个联队1000多人从白马寺出发，欲从东北方向进攻洛阳城。十五军军部获悉后，指令九十四师出动兵力伏击该敌。九十四师师长张世光派出一个主力团于猪龙嘴两侧设伏，待敌全部进入，封锁进口，两侧火力齐发。日军进退失据，陷入绝境，许多军官剖腹自杀，1000多人交械投降。此战极大地鼓舞了洛阳守军抗日信心。

日军在林森桥附近强渡洛河失败，遂改变进攻地点，转移到林森桥以西的聂湾一带。5月12日上午，日军坦克车队强渡洛河，进入北岸六十四师一九一团防守阵地。坦克往来冲突，无法遏止。一九一团长急令排长李军义炸敌坦克。李军义率全排战士匍匐前进，以集束手榴弹炸毁敌坦克5辆，毙敌30多人，迫使敌人退回洛南，李军义及全排战士无一生还。

七里河桥是洛阳通向新安的交通咽喉，守卫在这里的六十四师一九二团八连事先炸毁了此桥。5月11日下午，日军一一O师团第三联队第二大队在30辆坦克掩护下，抢架七里河桥。入夜，八连战士手持大刀，杀退日军，夺回此桥。次日，日军复取河桥；夜间，八连战士再得河桥。两次夜战，杀死敌兵100多名。

兴隆寨与瞿家屯分别位于涧河左右岸，洛河北岸。二者共处在涧河入洛处。这里距十五军上清官炮兵阵地最远，得不到炮火支援。日军把这里作为突破口重点攻击。

5月11日拂晓，日军以坦克30辆、火炮40门、步兵千余扑向兴隆寨六十四师一九〇团防御阵地，一九〇团奋起搏击，大战4小时，日军丢下100多具尸体退走。夜晚9时30分，日军6000多人以60辆坦克开道，再次突入一九。团阵地。一九〇团巧布地雷阵，将敌军炸得人仰车翻，一夜之间，9次击退日军进攻，以500多人的牺牲为代价，使日军遗尸1000多具。12日拂晓，日军出动飞机9架、30多门大炮，对一九〇团阵地疯狂轰炸，不等敌步兵进攻，一九〇团主动撤退，转移到涧河东岸。13日，日军坦克越过涧河，进入瞿家屯一九二团防御阵地。一九二团组织敢死队40多人，炸毁敌坦克4辆，敢死队集体殉难。由于众寡悬殊，一九二团伤亡过重，被迫放弃西工防御，转向道北邙麓，西工失陷。

5月13日，大量日军进入洛北。经过周公庙、西关两处争夺战，九十四师外围阵地尽失。日军分兵四路攻打城关四门。九十四师师长张世光以最精悍的四位连长把守4个城门。当日，四位连长一伤三亡。四个连的战士所剩无几。混战中，有2辆坦克突人西城门，1000多日军涌入城内。张世光师长急调火力、兵力封锁西城门。1000多名日军入城后构筑亍垒，负隅顽抗。张师长调兵包围该敌，组织精兵轮番攻击，迫使该敌节节后退。16日，在日军坦克接应下，残敌退出西城，洛阳城防暂渡危机。

日军占领西工后，一路东攻洛阳城，一路北攻道北邙山南麓。5月13日上午7时50分，日军步兵千余人从洛阳城西北角方向突进，一九一团组织反击，阵地3次易主。战至中午，日军死伤500余人，不支而退。下午4时，日军坦克5辆，突破一九一团阵地。一九一团特务长周清海率士兵8名，以集束手榴弹炸毁坦克1辆，炸死日军40余人，余敌惊惧而退。14日，日军大量增兵，一九一团损失将尽，余部退守苗家沟。日军分道将苗家沟包围，一九一团除20多人突围，其余壮烈牺牲。14日夜，大雨骤下，邙山泥泞难行，日军暂停进攻。17日，日军进攻十五军前方指挥所驻地史家屯，六十五师师长李纪云亲自指挥一九四团战斗，敌师团长清水寿一也挥刀督战。战至午后，敌突然向六十五师阵地施放毒气，一九四团转入屯内，日坦克二十五旅团战车向屯内推进。一九四团官兵利用挖通的民房为掩护，截杀坦克之后的日军步兵，日军伤亡惨重，被迫退却。18日，日军调来大批野炮、山炮，并有9架轰炸机空中配合，陆空两面向史家屯倾泻炸弹，400户民房无完存。继之，日军步兵在坦克掩护下大举进攻，一九四团二营奉命掩护前方指挥部转移，在坦克冲击缝中与敌殊死搏斗，一直战斗到最后一息。日军以死亡2000余人的代价占领了史家屯阵地。

上清宫是洛阳城的防御制高点，是十五军军部驻地。为保卫上清宫，十五军六十四师、六十五师随着兵员的消耗，步步收缩防御阵地，层层设防固守，血战了4日4夜。

5月19日，日军集中2万兵力，向上清官为核心的邙山岭发动总攻。在狂轰滥炸之后，六十四师、六十五师一线兵力冲击外壕与敌白刃格斗，拼杀1日，双方遗失累累，天黑收兵。20日，日军继续围攻。一路日军2000多人在20辆坦克引导下，切入上清宫侧后阵地后洞，一九四团所有能拿起武器的人都投入了战斗。混战中，二连连长韩昆生擒敌大队长藤本，日军蜂拥来抢，韩连长急忙刺死藤本，自己同时倒在敌人刺刀之下。副连长贾乐民大吼一声，抱着8枚手榴弹冲入敌群，与50多名敌人同归于尽。由于众寡悬殊，后洞失守。敌方损失1500多人，中方一九四团也所剩无几。21日，日军出动飞机10架、大炮80余门、坦克300辆、步兵2万人，深入上清宫附近，一九五团据守的庄王山成为争夺的焦点。团长姚清云在火线指挥，腿受重伤；一营营长张逸群冲锋陷阵为国捐躯，二营营长于芳清战至弹尽被俘。危急时刻，六十四师参谋长王振宇率：九十四师1个营、十五军搜索连、六十五师特务排、一九〇团2个连赶来救援。反击中，王振宇参谋长中弹牺牲，搜索连连长高兴英勇殉职。庄王山血战，阵地反复易主六次，毙伤日军2000多人，六十五师一九五团伤亡殆尽。庄王山阵地终因无兵可守而失去，日军包围圈向上清宫收缩。22日，30多架日机在上清宫上空盘旋轰炸，以60多辆坦克、80余门大炮对制高点上清宫集中轰击，以2000多人组团冲锋，对上清宫轮番攻击。十五军直属队、炮兵团、六十四师、六十五师余部步炮配合，英勇还击，一日内打退敌人12次进攻。上清宫，犹如磐石巍然不动，敌摧毁十五军指挥部的阴谋未能得逞。由于连日激战，十五军兵力锐减，弹药将尽，外无援兵，邙山岭主阵地已无力固守。为集中兵力，缩小防御面积，等待援军，十五军军部决定，22日夜各部转入洛阳城内，重新布防，由九十四师守东半城，六十四师守西门和西南隅，六十五师守西北隅。入夜，十五军撤入城中，各师秘密变换阵地，积极作防御准备。

5月23日拂晓，日军步、炮、空联合对洛阳城大规模进攻。在装甲车掩护下，敌人架起云梯企图登城，守城战士冒死掀翻云梯，挫败了敌人登城计划。敌改以工兵开挖地道，企图潜入城中。守城垣战士引爆地雷，粉碎了敌人从地下入城的阴谋。敌集中坦克轰击城西门新筑之墙，混乱中，一股敌军窜入西门内，守西门的连长黄保安手持双抢，左右开弓，夺回西门。敌人连攻失败，便集中飞机，轰炸十五军指挥部所在的银行大楼。十五军指挥部改设地下，继续指挥战斗。敌人无计可施，便通过高音喇叭，劝中国守军投降，中国军人不予理睬，积极备战。军粮用尽之时，洛阳百姓冒着炮火背面送米，给中国守军以最大安慰。

5月24日中午，日军出动飞机30架、火炮120门、坦克400辆，从空中到地下，向洛阳城倾泻炸弹、炮弹，狭小的洛阳城一片火海，3万日军步兵分六路向洛阳城发动总攻。洛阳守军奋起作最后抗战，各部利用民房、街垒誓死抵抗。午后，西门也被坦克突破，大量日军涌入城内，十五军指挥系统被破坏，各区官兵人自为战，或利用墙洞射击敌人，或居房顶用手榴弹投炸敌群，或以刺刀与敌逐房肉搏。日军每进一步，都要付出代价。双方短兵相接，厮杀半日，尸体枕集，横塞亍巷。

鉴于守军损失大半，孤立无援，而坚守一星期的任务早已完成，为保存这一支威震敌胆的抗日军队，十五军军部通知各师余部，于夜间10点钟分路突围。当夜10时，各师佯装出击，分别以1个加强连开路，从各自选好的突破口出城，奔向洛阳南山。25日晨，未突出城的部队继续与敌激战。上午，枪声渐息，洛阳城失守。