9月17日，日军一部迂回绕过潢川城，先向潢川与罗山之间的竹竿铺进攻。这里是胡宗南部防区的前哨阵地，由董钊的第二十八师防守。后来川军第一二五师王仕俊部赶来增防，沿竹竿镇东之竹竿河布防。中国军队顽强抵抗数日，到9月22日，日军才冲过竹竿铺。在日军猛烈的攻势下，防守罗山城的川军第一二四师师长曾 元怕被敌“围歼”,竟自行弃城撤逃，使日军顺利占领罗山城，并乘胜深入到罗山与信阳间的五里店，直逼信阳，威胁平汉铁路。
情况危急。胡宗南立即指挥第一军两个师与董钊的第二十八师等部，在炮兵与装甲兵部队的支持下，在罗山与信阳之间正面设防，阻击与反攻日军。川军两个师在第一军的左、右两翼展开。战斗异常激烈，双方伤亡都很大。董钊的第二十八师一位团长屁股被弹片炸伤，一直侧卧在担架上指挥作战，坚持三天后打电话给董钊，请求到后方休息。董钊回答很干脆，说：“死也要给我死在阵地上！”那位团长只得继续留在阵地上指挥。湛先治：《罗山参战记》，刊《原国民党将领抗日战争亲历记：武汉会战》，（北京）中国文史出版社1989年版。胡宗南又指示部队在一个夜间，乘敌人不备，袭击罗山城南之小罗山日军阵地。夜袭部队先将敌哨兵杀死，然后钻进敌人阵地，一阵冲杀，打死、打伤日军数十人，生擒三人，虏获轻机枪一挺，步枪十五支，掷弹筒一枚和其他一些军用品。熊顺义：《信罗战役简记》，刊《原国民党将领抗日战争亲历记：武汉会战》，（北京）中国文史出版社1989年版。
日军由于进攻屡遭挫折，竟不顾国际公法，每当风向有利时，在阵地前向胡部官兵施放催泪性与喷嚏性毒气，有时一天多达五六次之多。胡部阵地上第一线官兵有多人中毒，部分人中毒死亡。胡宗南指示官兵做好防护措施，同时在防御中实施短促反击。在一次反击中收复浏苔村时，缴获日军大批毒罐，装了几卡车运回后方，作为向国际上揭露日本法西斯暴行的罪证。湛先治：《罗山参战记》，刊《原国民党将领抗日战争亲历记：武汉会战》，（北京）中国文史出版社1989年版。在胡部有力的抗击下，日军进攻信阳十余天未得逞，只得退回罗山待援。从9月17日开始到10月初，胡部在罗山、信阳防御战中，杀伤日军数千人。
1938年10月初，日军援军第三师团的主力进抵罗山，协助第十师团攻打信阳，并企图在这地区“围歼”胡宗南部。日军以第三师团主力对信阳正面进攻，而以第十师团的骑兵部队为基干，配属步兵与一部分炮乒，从隆光寺出发，经青山店山间小道迂回，直趋平汉线上信阳以南、武胜关以北之柳林车站。胡宗南忽视了这一线山间小道的防守，使日军骑兵钻隙迂回获得成功，顺利占领柳林车站，截断了信阳至武汉间的铁路线。占领柳林车站的日军派出一部继续西进，迅速攻占平靖关、郝家店至淅河一线，切断了花园至襄樊的公路，对信阳形成包抄之势。
为了收复柳林车站，打通平汉线，歼灭西进日军，胡宗南奉蒋介石、李宗仁令，率部从信阳向南攻击，与罗卓英部的方靖第十三师、第三集团军孙桐萱部的第二十二师等配合，夹击柳林一线日军。经数日激战，歼灭日军2000余人，并一度收复柳林车站。但日军主力仍占据柳林车站以北的铁路东西两侧高地，固守待援。日军援兵也源源向这里推进。向信阳正面进攻的日军第三师团则从东、北两面进逼信阳。信阳即将陷入日军合围的险境。
在这种情况下，胡宗南为保存所部实力，未经请示第五战区司令长官部，自行决定其所指挥的各部队撤离信阳至罗山一线，只留下马戴文不足一个团的兵力留守信阳城。胡部撤至信阳西北的铜柏山区布防，掩护西（安）荆（州）公路。马戴文团在日军再次向信阳发起进攻时，迅即撤逃。1938年10月12日，信阳失守。
信阳的失守，使中国军队在平汉线上的防线出现了一个大缺口。日军从这缺口突入，切断平汉线，以一部确保信阳附近，而以第十师团配合南面攻击武汉的日军，迅速向平汉路西的应山、安陆、花园等地突进，于1938年10月24日占领应山，25日占领武汉，26日占领安陆，从而在平汉路西形成一个包围圈。中国第五战区尚留在平汉路东的近10万部队，立即陷入日军包围圈中的危险境地。
日军迅速收拢包围圈，企图全歼被围的第五战区部队。胡宗南率部擅自撤离信阳的行动造成了极其严重的后果。
幸而，在信阳南部三关一带防守的罗卓英、刘汝明等部，凭险固守，与日军反复争夺，依据有利地形迟滞日军南下，掩护路东第五战区部队撤往平汉路西。直到10月28日，日军才完全控制了平靖关与武胜关一线，完成了包围圈。但这时尚留在路东的中国军队已不多，而且日军兵力不足，网眼过大，路东的中国军队仍能分散退往路西的铜柏山与大洪山区。日军合围歼灭路东第五战区部队的目的未能实现。
第五战区司令长官李宗仁对胡宗南擅自撤离信阳十分愤恨。他说：“10月12日信阳失守。我原先已电令胡宗南自信阳南撤，据守铜柏山平静关（本书着者按：应为平靖关），以掩护鄂东大军向西撤退。然胡氏不听命令，竟将其全军七个师向西移动，退保南阳，以致平汉路正面门户洞开。胡宗南部为蒋先生的‘嫡系’部队，在此战局紧要关头，竟敢不遵命令，实在不成体统。”《李宗仁回忆录》，广西人民出版社1989年版，第533页。应该说，胡宗南在10月上旬末曾经遵令率部向南进攻柳林车站，并歼敌2000多人，但未能驱走日军与恢复平汉线交通。于是胡就令所部不再南进平靖关，而西去南阳，以致造成严重后果。
1937年，抗日战争中的李宗仁。李宗仁由此联想起去年年底，胡宗南率部从南京西撤途经安徽，不向李宗仁报到，不愿归第五战区指挥，自行西去；今夏保卫武汉，胡宗南部调往信阳，军令部明令胡部隶属第五战区，但胡从不向李宗仁报告敌我两方情况。李宗仁对胡宗南更加愤恨，在他率第五战区司令长官部退居樊城后，就将胡宗南不听从命令、擅自撤离信阳、造成鄂东10万大军陷入日军重围之事，电告重庆军委会，要求严办胡宗南。
但是，李宗仁控告的结果，“军委会竟不了了之。”李宗仁对此感慨系之，说：“此事如系其他任何非‘嫡系’将官所为，必被重惩无疑。”《李宗仁回忆录》，广西人民出版社1989年版，第533页。但是，“于此均可见中央政府的治军、治政，全依人为依归。凡中央‘嫡系’部队，或与中央可以发生‘通天’关系的，因不听将令，不受指挥而失城失地的，都可不了了之，实在不成个章法。如此上行下效起来，对敌抗战的效能也就大大地减低了。”同上书，第538页。
坐镇关中的第三十四集团军总司令
1938年10月中旬，胡宗南奉蒋介石之命，率领所部第十七军团，从豫南回驻陕西关中。胡宗南与军团部先驻凤翔，10月底移驻西安。
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