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华北方面军冈村宁次大将为此次作战的总指挥。由华北方面军第12军司令官内山英太郎中将率领第37、第62、第110师团，独立混成第7、第9旅团，骑兵第4旅团、坦克第3师团从郑州以东突破黄河防线，向平汉铁路南段沿线发动攻势，一举击溃中国军队，占领并确保平汉铁路南段的畅通。
第11军司令官横山勇中将，以独立步兵第11旅团主力七个大队的兵力，从信阳出发北进，策应华北方面军作战。第13军以一部分兵力从安徽蚌埠地区沿黄泛区南侧前进，策应华北方面军作战。第5航空军司令官山下琢磨中将，以一部航空兵力量，配合地面部队进攻。此次战役，日军投入总兵力初步定为20万人。
为实施《一号作战计划》，日军大本营倾其明治维新以来所有累积的陆军战力和物资，孤注一掷投入此行动。日军大本营决定，中国派遣军在执行一号作战计划中，所有的兵力与支援要求都给予最优先的配合。在兵力动员上，日军大本营决定再动员51万部队，优先补足中国派遣军所有的缺额；尽量将原先在中国战区的乙种师团与丙种师团，调升为甲种师团，这样就使得日军甲种师团加上所有补充、特种作战单位之后，其作战兵力已达到32000人。此外，日军大本营还抽调日本本土与关东军的部队，进一步支援中国派遣军的一号作战。