一九三八年十月十七日，日军第十八师团主力向增城推进。
余汉谋决定利用广州和增城的既设阵地集中兵力阻击日军。
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国民政府军事委员会也紧急电令位于九江以南的第六十四军和第六十六军从南浔路南下增援广州。
十八日，日军第十八师团先头部队抵达增城东南，遭到中国守军的炮击。步兵大队长吉村藏五郎少佐登上增江东岸的高地，看清楚了增城内的中国守军只是“小部队”，于是集中起各中队的掷弹筒猛烈轰击，日军的骑兵大队也加入了步兵的冲击，中国守军被迫退至增城外。
余汉谋准备集中第一八六师、第一五三师、第一五四师和独立第二十旅，在增城至博罗间的公路上聚歼日军。二十日，日军在增城地区的兵力已达五千以上，在航空队的助战下，日军向正在集结的中国军队发动了猛攻，突破中国守军的防线后顺势追击，中国军队顿时陷入全线混乱的态势。
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当夜，余汉谋率领他的指挥部撤离广州，去了北部的清远，广州城内留下的部队仅是警税团和少数宪兵。
二十一日午后，日军侦察机传来报告：
一、早晨以后未受到来自广州附近原有阵地的射击；
二、有汽车约六百辆沿广州至从化公路北进中；
三、在广州南面的珠江上聚集着无数的帆船和小汽艇；
四、广州市内数处起火。
日军由此判断，中国军队已经放弃广州。
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二十二日傍晚，日军第十八师团未经作战进入广州城。
日军第一〇四师团则从增城一路向北，二十二日占领太平场，二十二日占领从化。