日本帝国主义于1937年发动全面侵华战争后，其最高当局曾考虑于同年12月出兵华南，但因海军尚未准备就绪而不得不推迟实施。1938年2月，日军两次对广东虎门发动试探性攻击，3月，日本海军先后占领了广东沿海的蒲台、担杆、三灶等岛屿。7月，日本海军又侵占了南澳岛。日军在这些岛屿上赶修码头、机场、仓库等军用设施，作为入侵华南的跳板。
同年9月7日，日军大本营正式决定派兵攻占广东，以配合入侵华中日军进攻武汉的作战行动。侵占广东由日本海陆军共同实施。海军以“Z”作战作为这一行动的代号，其兵力编成为：“妙高”号重巡洋舰(旗舰)、“多摩”号轻巡洋舰，第1航空战队(“加贺”号航空母舰及驱逐舰2艘)、第2航空战队(“苍龙”号和“龙骧”号航空母舰及驱逐舰4艘)、水上飞机母舰“千岁”号和“神川”丸、岸基航空兵第14航空队和高雄航空队、第10战队(轻巡洋舰“天龙”号、“龙田”号)、第8战队(轻巡洋舰“鬼怒”号、“由良”号、“那珂”号)、第2驱逐舰战队(轻巡洋舰“神通”号及第8和第12驱逐舰大队的7艘驱逐舰)、第5驱逐舰战队(轻巡洋舰“长良”号及第3、第16、第23驱逐舰大队的10艘驱逐舰)、第1炮舰队(改装炮舰5艘)、第2巡防队(潜艇母舰“迅鲸”号及其它船艇18艘)、第11扫雷艇队(扫雷艇6艘)、横须贺海军陆战队第3大队等。参战各部统归第5舰队司令官盐泽幸一海军中将指挥，共有飞机150架左右，舰船70多艘(不含运输陆军船只)。日本陆军将这一行动称为“波”号作战，参战部队是第21军(司令官古庄千郎中将)。其兵力有：第5师团(辖第9和第21旅团等部)、第18师团(辖第23和第35旅团等部)、第104师团(辖第132和第107旅团等部)、野战重炮第1旅团、第4飞行团等部。日军在广东的登陆作战分为两个方向：在大亚湾的登陆行动称作“甲”作战，沿珠江溯流攻击行动称为“乙”作战。
这时，在广州周围地区驻守的中国军队是第4战区副司令长官兼第12集团军总司令余汉谋指挥的第62军、63军、65军和66军等部。其中，在广东沿海布防的有：第151师驻淡水和稔山，第153师驻深圳，第158师驻钟落潭，第186师驻增城，独立第20旅驻正果，1个保安团驻平海。在广东内地还有3个师及1个独立旅等部，在珠江入海口有虎门要塞和江防司令部的舰艇部队担任防卫。
1938年9月底至10月初，参加“波”号作战的日陆军各部分别从上海、青岛、大连秘密乘船到马公海面集结。10月9日14时，日军运兵船共106艘在海军舰艇的护卫下从马公启航，于10月11日黄昏到达大亚湾。为了隐蔽登陆方向，日本海军派出大批飞机广泛地轰炸了广州、惠阳等地，“多摩”号轻巡洋舰及第3驱逐舰大队还驶往汕头，向岸上猛烈炮击，并掩护第24兵站的船队进行了一次佯攻登陆。
10月12日3时30分，参加“波”号作战的日陆军主力在海军飞机和舰炮强有力的火力掩护下，分3路在大亚湾登陆。左路为第18师团的1个加强大队，首先占据了亚铃湾小龟海滩。中路是第18师团主力，在虾涌圩和岩前港一带上岸。右路为及川支队(即第5师团的第9旅团大部和特种兵部队)，也跟着在盐灶以南登陆。由于中国守军第151师各部准备不足，登陆的日军未遇到顽强的抵抗。接着，日军第104师团在玻璃厂以北海岸也顺和登陆。上岸之敌各部立即向前推进。从中路进攻的日第18师团第23旅团进入湖圩地区，第35旅团向淡水进发。左路日军的加强大队于当天夜里突入淡水城，同守军展开激战。10月13日2时，日军占领了淡水。日军第104师团攻占了平海，驻守该地的保安团败退。10月13日白天，日军第18师团前锋从淡塘附近渡过牛江，及川支队从平山圩附近渡过西江。10月14日，日军及川支队占领了横沥圩，第104师团从平海出发，进范和冈、稔山圩一带。中国军队在沿途对日军进行了阻击，边打边退。当日傍晚，日军第18师团主力抵达惠州以南地区后，不久就开始攻城。攻城日军得到了日本海军飞机的有力支援，攻势很猛。守军第151师的1个团和独立第20旅一部拼力抵抗，守军碉堡和工事大部分被日军炮火摧毁。10月15日4时40分，日军先头部队攻占南门，接着冲入城内，守军溃退。同日10时许，惠州全部陷落。
10月16日，日军第18师团主力渡过东江，其第23旅团于当日黄昏时占领博罗。同日，日军及川支队赶到茶径。10月17日，日军第18师团前卫部队进至湖镇，与中国守军对峙；及川支队抵达三径；第104师团到达惠州后，接替第18师团部队的城防警备任务。10月18日，日军第18师团击退其正面的中国守军，占领福田圩；及川支队到达桔子圩，第104师大部渡过东江。10月19日，日军第18师团向增城发动攻击，与守军独立第20旅发生激战。日军使用掷弹筒掩护步兵和骑兵攻城，守军抵抗失利后退走。日军第23旅团追到五子洞附近与中国军队遭遇，经3个小时激战后，中国军队后退。
日军第104师团前锋到达博罗，其水上机动部队从惠州出发，沿东江突击石龙，进而切断广九铁路。当日夜，余汉谋率领幕僚赶赴增城前线部署反攻：以第186师守增城正面阵地，用1个战车营和1个重炮兵团支援该师作战；另以独立第20旅从左翼、第153师和第154师从右翼分别出击，围攻敌第18师团。10月20日7时许，日军抢先发动攻势，用飞机大炮将中国军队的炮兵阵地摧毁殆尽，中国军队的战车也未能发挥作用。位于第二线的第154师尚未展开兵力，第186师已被日军炮火打垮，独立第20旅阵地也被日军从中间突破，中国军队的反攻计划完全失败，继而向广州方向撤退。日军乘机尾追，其先头部队于当夜20时占领镇龙圩。
10月21日，日军及川支队扑向从化，以图截断广州和韶关之间的联络，第18师团沿增城至广州公路向广州急进。这时，广州地区的中国军队主力正向英德、翁源一带北撤，仅留少量部队担任掩护，广州城内一片混乱。当日15时许，日军轻装甲车独立第11中队和第51中队冲散了沿途阻截的中国部队，直插广州市区，占领了珠江岸边的要道。日军第18师团主力跟进，很快就占领了广州市及周围地区。10月23日，日本第21军司令部移驻广州，“甲”作战遂告结束。
日军由于在大亚湾的登陆作战进展顺利，原计划在10月27日开始实施的“乙”作战被提前到10月22日进行。从10月13日起，日本海军舰艇已严密封锁珠江口，切断了水上交通。
10月21日夜，在大亚湾待机的运载日军第5师团主力的船队在海军舰艇护卫下出发，于次日晨驶抵伶仃岛附近海域。日军登陆部队在此换乘200余只舟艇，由海军飞机担任空中警戒和引导，由海军舰艇担任掩护，于10月22日10时开始溯江作战。在潭洲航道入口处，日军溯江部队遭到中国守军的拦截。日军凭借其火力优势，强行通过了潭洲水面，其先头部队坂本支队(1个加强联队)于当日15时许在大角岛上岸，并于18时攻取了蒲州炮台。接着，日军又向大角炮台发动攻击。日本海军飞机也不断扫射和投弹。守卫炮台的中国官兵顽强还击，一直坚持到次日7时。10月23日，日军坂本支队派出部分兵力攻占了上、下横档炮台和威远炮台，其主力于黄昏时向川鼻岛进发。由于日本海军飞机和舰炮已对虎门炮台进行了饱和轰击，各要塞大炮多被击毁，炮台官兵伤亡惨重。日本海军陆战队抢先上岛，坂本支队主力也随后赶到。守军撤退，各炮台落入敌手。虎门要塞的陷落，使日军打开了进入珠江的大门。
日军左侧支队(1个加强联队)于10月22日黄昏进至潭洲东南水面时，被中国海军布设的水雷挡住去路。10月23日，该部日军绕道前进，于傍晚时到达陈村附近，遭到中国守军伏击。交战后不久，中国军队撤离。10月24日，日军左侧支队占领澜石，次日又在海军飞机和领航艇队援助下攻陷了三水。
10月26日，日军佛山支队进占佛山。10月27日，日军珠江支队乘坐40多艘船艇和海军第2巡防队的舰船分别沿珠江溯流上攻，于10月29日11时30分进到广州南面的货仓，随后与侵占广州的日军会合。
中国军事当局获悉日军在大亚湾登陆的情报后，决定抽调第64军和第66军南下援助广州。但援兵未到，广州已告失守。11月24日，中国军队开始反击，旋即夺回从化。12月9日至10日，中国军队又先后收复惠州、博罗、宝安等地。日军因战线太长，兵力有限，又不断遭到中国军民的袭击，被迫放弃了大亚湾的登陆场，把部队集中于广州周围防守。
据日方资料记载，日军参加这次登陆作战的兵力达7万多人(不含海军)，伤亡1400余人。中国军队也在作战中受到重大损失，仅被俘人员就达1300余人，还有187门火炮及21辆战车被日军缴获。