根据武汉外围战斗形势，及日军于10月12日在广东大亚湾登陆进攻广州情况，蒋介石国民政府于10月16日已决定放弃武汉，并电告李宗仁及陈诚，对第五战区和第九战区部队作了新的部署。为了各部队有计划地撤退，将罗卓英从江北第五战区调回，使其负责指挥武汉外围的作战，掩护各部队撤退。
10月20日下午，蒋介石召开军事会议，正式宣布放弃武汉三镇。
他在会上对将领们说：“保卫大武汉战役，迄今已经进行了四个月有余，歼敌二十余万，既达到了以空间换时间之目的，也达到了消耗日军有生力量之目的。更重要的一点，即是日军始终妄图在攻占武汉后，以我政府的妥协结束其侵华战争，而我们是在战争中得到了锻炼，愈战愈强，表明了决不妥协之决心。日军在战争中受到重创，欲罢不能。我认为，武汉保卫战是我们抗战的重要转折点，是走向取得胜利的开始。
“我们撤退的主要方向有二，即第五战区部队撤向鄂西襄樊；第九战区部队撤向湖南。关于撤退的部署，另由各战区拟定。我已经从第五战区调回罗尤青（罗卓英），命他负责部署掩护各部撤退。
“提到撤退，使我想起淞沪抗战和南京保卫战后的撤退。应该说每一次撤退，都是有计划的，决不是全面大溃逃。但是，上海、南京撤退中的损失，几乎要比在战场上的损失更为严重。究其原因，是各部队一接到撤退命令掉头就跑，争相夺路，加上日寇的追杀，造成重大伤亡。这一次撤退，是在日寇已经疲惫，而我军尚有抵抗能力的情况下，有计划地撤退。所以，大家一定要告诉各部队长，要争取逐次抵抗，且战且退，决不允许再发生过去那样的混乱了。你们还要告诉各部队长，本委员长决心与全体官兵共安危，始终坐镇武汉，一直要等到各部队撤退完毕，再随掩护部队撤退。
“我们在武汉坚守四个月余，另一重大收获，即是大量的物资和工业设备、人员，都已陆续撤到大后方，但在武汉三镇一些工业设施、建筑和残存的物资，有的无法运走，有的来不及运走了。我们决不能留给敌人，要对日军实行焦土政策，使其‘以战养战’的企图不能实现，这要成为今后放弃城镇的既定政策。我们决不能让日寇利用我们的物资、设备，作为他们生存的资料和手段。
“放弃武汉的确切日期，另由军委会下达命令。今天我在这里只不过是‘打招呼’，打招呼的目的，不是宣称放弃武汉三镇的决心，因为这个决心我们早就下了的。打招呼是为了使大家有信心做好有秩序撤退，不能乱，千万不能乱！”
10月24日，蒋介石正式下令放弃武汉，当晚离武昌飞往衡阳。
25日，军委会宣告“自动放弃武汉”。
25日夜，日军第6师团占领了汉口北郊的戴家山阵地；波田支队突破守军第55师阵地，占领了葛店。当日夜，武汉中国守军各部队均已按计划撤离市区。
26日，日军第6师团占领了汉口；波田支队占领了武昌。
27日，配属波田支队的第60联队占领了汉阳；第9师团占领了贺胜桥；第27师团占领了桃林镇，并切断了粤汉铁路。这时武汉守军已撤至湘北及鄂西地区。
至此，武汉三镇全部陷落。武汉保卫战宣告结束。