城三座县城接连收复，日军西线第一层外围防御体系彻底崩塌，各地残兵沿汉宜公路向汉川、孝感全线溃退，来不及收拢部队重新构筑防线。
1月20日拂晓，第56集团军主力抵达汉川城外。汉川紧邻汉江干流，日军独立步兵第11旅团主力驻守此地，日军2100人、伪军3100人，依托汉江河堤修筑连续江岸工事，封锁全部渡口码头，宽阔江面形成天然防御屏障。参战团级单位分配清晰，新编第18军229师686团、687团正面强攻汉江主渡口阵地；
230师689团分上下游隐蔽迂回渡江，从日军防线后方登陆侧击敌军；江南江防集群吴奇伟调拨8艘小型炮艇驶入汉江支流，江面提供移动持续火力支援。首轮白天正面冲锋遭遇重创，开阔江滩无任何遮蔽物，日军河堤暗堡重机枪疯狂扫射，686团单次冲锋伤亡320人，正面进攻暂时陷入停滞。
方绍魁快速调整攻坚战术，放弃白天公开强攻方案，转为夜间隐蔽渡江作战。1月20日夜间23点，689团分三批次乘坐军用橡皮艇，关闭发动机依靠人力木桨缓慢划行，暗夜横渡汉江，在日军防线后方无人滩涂秘密登陆。
凌晨2点登陆部队突袭日军河堤后方炮兵阵地，日军后方火炮全数被炸毁，整条江岸防线瞬间大乱。正面686团、687团抓住战机全线发起总攻，前后夹击之下日军防线彻底崩溃，残兵向孝感仓皇逃窜。1月21日上午9点，汉川全境收复。
孝感是武汉正北最后一道外围屏障，西线所有溃逃日军全部收拢于此，城内日军合计1800人、伪军2600人，依托孝感老城高大砖石城墙死守，战前提前囤积大批量催泪、糜烂毒气手雷，计划依靠化学武器阻挡国军攻坚攻势。
攻坚主力为新编第18军228师、229师、230师，每个师出动两个团共6个步兵团，总攻发起之前，战区直属重炮师持续2小时饱和炮击，城墙多处大面积坍塌，绝大多数城墙固定火力点被炮火摧毁。
步兵入城推进至城市中心街区时，躲藏在楼房暗室的日军小队突然批量投掷毒气手雷，街巷迅速弥漫淡黄绿色刺激性毒烟，前沿683团1连、2连士兵出现流泪不止、皮肤灼烧红肿、呼吸困难等重度中毒症状，一线阵地被迫临时后撤800米。
前线官兵立刻佩戴战前统一配发的防毒面具稳住二线机枪阵地，团直属火焰
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