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全面抗战爆发后，日军迅速占领了中国北方的京津地区，上海、南京等地区也很快失陷。1938 年 10 月，武汉、广州失守后，中国东南沿海的主要城市和港口以及大部分铁路都落入日军之手，中国的海运交通被完全封锁，国民政府退守重庆，依托西南、西北大后方继续抗战。对于中国来说，物资供应问题此时显得异常严峻起来。当时，中国同海外联系主要有以下几条线路：一是以香港为门户，经过华南沿海通往内地的走私路线；二是经甘肃、新疆前往苏联的西北路线；三是以越南海防为起点，经滇越铁路到昆明，或经桂越公路到南宁的法属印度支那路线；四是以缅甸仰光为起点，经缅甸铁路到腊戍，接滇缅铁路到昆明。这四条路线中，西北路线虽较安全，但路途漫长，运量不大；香港路线要穿过日军的海上封锁线向内地渗透，加之英国对日绥靖，在香港采取禁运措施，因此极不可靠，且运输量较小。因此，滇缅线、印支线就成为当时中国与外部联系的两条最重要通道。对日本来说，截断了这两条线路，就等于卡住了中国的咽喉，可以使得中国因失去绝大部分国际援助而无法对日作战。
为截断中国广西与越南的国际交通线，开辟海军航空兵对滇越铁路（昆明至河内铁路）和滇缅公路作战基地，以断绝中国的主要国际援助，1939 年 11 月，日本决定在桂南发动新的攻势。11 月 14 日，日本大本营对其陆海军颁布了第 375 号作战命令：“此次作战的目的，在于直接切断敌人沿南宁——龙州公路的联络补给线。”其作战方针明确写道：“攻占南宁附近要地后要占领该地，主要切断敌人通向南宁的联络补给线，并使其成为海军向内陆进行航空作战的基地。”
为实现会战目标，日军于 1939 年 11 月 15 日在广东钦州湾（今属广西）登陆，突破中国守军防御阵地，中日桂南会战开始。24 日，日军攻占南宁。日军随即以一部南下攻占龙州及镇南关；另一部北上攻占高峰隘、昆仑关。中国为收复南宁，恢复桂越国际交通线，调集重兵分三路反攻南宁。北路军从思陇向昆仑关进攻，东路军负责袭扰邕江南岸日军及破坏邕钦路，阻止日军增援，西路军向高峰隘进攻，并阻击南宁出援之日军。12 月 18 日，北路军向昆仑关发起总攻，31 日，收复昆仑关。1940 年 1 月上旬，日军由粤北抽调部队增援桂南，28 日发起进攻，至 2 月3 日，先后攻占宾阳、昆仑关，随后收缩兵力于南宁附近。中国军队发起反击，于 2月 14 日再次夺回昆仑关，并进至邕宁五塘等地。日军则固守南宁外围，在四塘、高峰隘、蒲庙一线与中国军队形成对峙。9 月，日军除留一部守卫南宁外，主力进入越南，中国军队乘机发动反攻，于 11 月先后收复龙州、南宁、钦州、镇南关（今友谊关）等地，桂南会战结束。
学生军训练结束后，即奉命出发到桂南、桂东南等地进行抗日救亡宣传，以动员民众，配合正规军作战。在桂南会战爆发之前，学生军深入桂南城乡和日军后方，主要对民众进行社会动员。会战期间，学生军继续动员民众，并组织群众实行坚壁清野，切断日军的物资补给，建立抗日救亡团体，协同正规部队袭击日军，对配合中国军队进行桂南会战起了很大的作用。战争结束后，学生军则主要协助政府和部队处理善后等方面工作，恢复社会生产。