日军攻占武汉后，已无力在正面战场上发动大规模战略进攻，但为达到巩固对武汉地区的占领，迫使国民政府妥协的目的，在加强政治诱降活动的同时，又纠集有限的兵力，于1939年3月至1943年11月，对武汉南北地区先后发动了南昌、长沙、随枣、枣宜、常德作战，以及封锁中国交通线的桂南作战。中国第3、第4、第5、第6、第9战区部队，对日军的有限攻势进行了有力抵抗，并于1939年对日军展开了冬季攻势。纵观中日双方的作战形势，可以说是互有攻防，互有胜负，相持不下。
1939年10月，中国军队整训完成，部队战斗力有了一定加强。为进一步消耗日军，乃决定将整训部队主力分别拨归第9、第5、第3战区和第2战区，准备于11月下旬及12月上旬，全面对日军发动冬季攻势。上述4个战区为主攻战区，其他战区实施助攻。11月下旬，军事委员会下达了作战任务：
华北方面，第1战区攻击开封、博爱，钳制敌人；第2战区首先切断正太、同蒲铁路，并肃清晋南三角地带日军；第8战区以一部协同第2战区作战，主力攻击归绥（今呼和浩特）附近日军。
华中方面，第3战区以主力约11个师，切断长江交通，分向湖口、马当、东流、贵池、大通、铜陵、荻港间伺隙进攻，一举突进江岸，占领坚固阵地；并以轻炮兵火力及敷设鱼雷，封锁长江。第5战区扫荡平汉线南段信阳、武汉间日军，进取汉口；并向汉（阳）宜（城）公路日军攻击；切断襄（阳）花（园）、汉宜公路。第9战区，向粤汉铁路北段正面日军攻击，重点指向蒲圻、咸宁一带，并向武昌挺进；同时攻击南昌及南浔铁路，进击瑞昌、九江日军。
华南第4战区以一部相机攻占潮州、汕头，主力扫荡广九铁路及南宁日军。
第1战区：12月1日开始攻击。在豫东，第3集团军以及豫皖边区游击部队切断开封、兰封附近公路、铁路，第81师于17日突入开封，焚毁日军第35师一部的指挥所及仓库；21日，骑兵第2军一度攻入商丘，并击溃由安徽砀山增援的日军骑兵部队。在豫北，12月6日，新编第5军、第47军、第9军等部队，攻至安阳附近，而后在汤阴、淇县、浚县、沁阳、博爱等地，破坏交通设施，切断了日军豫北交通；1940年1月1日，第9军一度攻入沁阳，歼灭日军第35师一部。
第8战区：以第35军攻击日军骑兵集团司令部所在地包头；第81军一部攻击安北；骑兵第6军等部队袭击绥包铁路，阻止日军增援。12月18日开始行动。20日拂晓，第35军乘驻包头日军一部出城执行任务之机，以便衣队潜入包头。接着，主力部队攻入城内，袭击日军骑兵集团司令部及重要仓库，日军骑兵集团第1旅直属队及第13、第14团急忙由萨拉齐、固阳、安北前来救援。第1旅直属队当日16时到达包头。第13、第14团受到第35军阻援部队的围攻损失惨重，第13团伤亡过半，第14团团长小林一男上校被击毙。在增援日军抵达包头开始反击后，23日，第35军撤出包头，退回五原地区。
日军为施行报复，1月28日以骑兵集团主力（配属独立混成第2旅一个支队）、第26师团及伪蒙军一部乘卡车由包头等地向五原开进。2月3日，突入五原。2月中旬起，日军主力开始撤出五原地区，但在五原留下了伪蒙军和日军桑原特务机关，由绥西警备司令官水川伊夫中将坐镇五原，守备绥西。为巩固对该地的占领，3月初，又派以伪蒙古政府警察队为名义的数百名日军进驻五原。3月20日夜，第35军反攻五原，激战至22日，击毙日军水川伊夫中将、大桥上校，消灭日伪军4000余人，五原敌军和特务机关被全歼。当驻蒙军派出救援的骑兵集团主力和第26师团一部于26日进抵五原时，群众早已空室清野，只剩一座空城。日军唯恐遭受袭击，停留数日将日军尸体收集火化后，仓皇撤离。从此，日军再未敢进犯绥西。五原大捷受到军令部嘉奖。
华中方面第3战区：在第86军、第18军得到两个师以及一部分炮兵后，从12月12日起，以第32、第10集团军各一部分别袭扰南昌及杭州日军。第32集团军曾于12、18两日攻入南昌城，予日军以重大打击。第10集团军于13日晚攻入杭州、富阳、余杭各城，破坏了日军指挥机构及仓库。1940年1月21日，日军由杭州南渡钱塘江攻陷萧山，并向绍兴袭扰。经第10集团军部队反击，迫敌退守萧山。
第3战区以第18、第21、第25、第50、第86军共14个师，编为长江方面攻击军，分为左翼、中央、右翼3个兵团，攻击当面日军第13军第116师团。12月16日，各部向荻港至贵池一线发起猛攻，到处展开近战肉搏，攻克日军沿江据点多处，到17日晚在大通、荻港间突破日军第116师团左翼，挺进至江岸，炮击日舰，布放鱼雷，一度切断长江航运。20日，日军增援部队陆续到达，在飞机轰炸和舰炮火力支援下进行反扑，攻击部队遂退守出发阵地，以小部队向江岸钻隙突进，继续袭扰敌人。
第5、第9战区共50多个师统一于12月12日向当面日军第11军发动攻势。第5战区第22集团军第41军第122师第364团在群众协助下，经一夜激战，攻占日军外围据点擂鼓墩，缴获野炮一门；第124师强攻滚山，前仆后继，予敌重创，受到战区长官部嘉奖。第9战区曾克复靖安及通山、阳新各附近据点。
此次冬季攻势无论是作战规模，还是军队的战斗意志，均大大超出日军意料。日军战史写道：“到了12月12日，四周敌人一齐向集团军的所有正面出击而来。其规模之大还是未曾有过的。而经过40天的时间一直到1月20日左右，两军仍然不见胜负。在此期间，我第一线部队几乎都成了一个个孤立的部队，在敌重兵包围中孤军作战，缺粮少弹，伤亡很大……敌人的进攻意志极为顽强，其战斗力量不可轻视。在战术上，鼓励采取夜战，隐蔽中接近和包围我军据点，善于利用工事和以手榴弹进行近战。武器弹药充足，补给能力也很强。”
冬季攻势给予日军相当大的打击。日军竭力掩盖其遭到的损失，但也不得不承认仅第11军就伤亡约达8000人。
南昌会战，是日军发动的首次有限攻势。武汉会战后，中国在长江南北分别以第9、第5战区的重兵对武汉形成包围态势。南昌地区的战略地位更显突出，既有掩护联系第3、第9战区的战略运输线即浙赣铁路，又是中国方面集结重兵的战略基地；还有南昌的飞机场，成为中国飞机前往轰炸日军长江中军舰的出发基地。这些都对日军构成了重大威胁。为此，日军积极准备进攻南昌，欲必除之。
1939年2月时，国民政府军事委员会3次指令第9战区向日军另一线南浔方向发动进攻，以转移敌人的进攻方向，破坏日军的进攻部署。但是该战区一直以准备不周为由拖延进攻。3月17日，日军抢先展开进攻。中国军队与日军在南昌地区展开激战。从3月17日到27日，中国守军10天内便丢失了南昌，并受到重大损失。此后，日军向西追击，于4月2日陷重镇高安，中国军队退守。此后日军由于兵力不足，停止追击，并从南昌地区撤走部分兵力，战场相对稳定下来。
然而日军没有料到中国正在紧张酝酿旨在收复南昌的反攻，第3、第9战区协力展开春季攻势（也称4月攻势）。4月21日，反攻正式展开，中国军队主力向南昌发动奇袭，连克南昌外围阵地。25、26日相继推进到南昌城下。然而由于另一路中国军队未能完成切断日军增援的任务，日军海军陆战队赶赴支援。中国军队对日军展开将近一周的激烈进攻，但未能取得进展。5月1日，蒋介石下令必须限期攻下南昌。为此，2日，中国军队发起第二轮猛烈的攻势，进一步向南昌逼近。但此时已失去奇袭性质，只能进行攻坚战，在敌之坚守下，中国军队伤亡惨重。5月9日，蒋介石下令停止进攻。而日军也无力进一步反攻。南昌会战结束。
南昌失陷使得第3战区与大后方的联络陷入困境，军事补结只能依赖浙赣两省的公路线，东南各省未沦陷地区的处境更加困难。
随枣会战是继南昌会战后日军发动的又一次有限攻势。
武汉会战后，武汉长江上游沙市以西一段长江江防、鄂北、豫南、皖东大别山区划归第5战区。第5战区地处国民政府中枢门户的川东要冲。这一地区拥有相当优越的地形条件可作凭借。大别山雄峙于东，桐柏山横卧在北，西依荆山，南濒长江，大洪山虎踞其中，汉水（襄河）之险贯通南北。第5战区内另有两条重要交通线，一为汉宜路（湖北汉口—湖北宜昌），一为襄花路（湖北襄阳—河南花园），该战区进可袭扰平汉线威胁武汉地区，退可屏障川陕大后方，自古为兵家必争之地。
第5战区虽然所属部队系统庞杂，战斗力参差不齐，重武器相当缺乏，但是仍依托有利地形积极袭扰日军。1939年4月上旬，中国军队从东西两侧频频袭扰平汉线南端，尤其令武汉日军不安的是，中国为加强第5战区实力，进一步将6个师兵力移往枣阳，准备加强对日军的袭击。为了消除长江北面湖北北部、河南南部方向中国军队对武汉的威胁，日军11军调兵遣将，配备大量火炮、战车和飞机，使用3个半师团兵力，于5月1日发动奔袭战，分进合击，企图以两翼包围和中央突破的战术，将中国军队主力消灭在桐柏山与大洪山之间的随县、枣阳一带。
第5战区李宗仁将军判断出日军的企图，遂决定立即停止向日军的攻势，转入防御，并根据敌人进攻态势做出周密的战役组编，具体部署了各部队的防御任务和作战方案。
随枣会战打了20天，日军使用主力突破汉水东岸中国守军阵地，突进至预定目标完成一翼包围，但其他两路日军则在随县及其北侧地区遭受有力抗击，未有进展。第5战区鉴于战场形势，决定转换战术，主力逸出敌之包围圈，转移至外线作战，利用有利的地形条件打击敌人，转守为攻。日军由于合围计划失败且面临中国军队的反击而不敢久留，遂行撤退。中国军队尾追不舍。至24日，中国军队先后收复枣阳、桐柏等地，日军除占领随县县城外均退回至原地区，大体恢复战前态势，会战结束。
这次会战，中国军队虽然也受到了较大损失，但彻底击败了日军围歼中国军队的企图，并使之付出惨重代价，毙伤日军1.3万余人，日军遗尸5000余具。第5战区进退主动，适时转移外线，立于有利地位，日军撤退时又追击、阻击得力，因而取得了较大战果。
枣宜会战是中日两军自武汉会战以来最惨烈的一次攻防战。
宜昌是武汉和重庆间最大和最重要的内河港口，为进入四川的咽喉，其西即为地势异常险要的三峡，因而宜昌实为战时陪都重庆的门户，并且是沟通大江南北各战区的后勤补给枢纽。而在宜昌东北方向隔汉水相望的是重镇枣阳。1939年底，中国军队主动发起冬季攻势，给日军以相当大的打击，日军遂决定实施报复作战，于4月中旬调集重兵，企图将第5战区主力围歼于枣（阳）宜（昌）地区。
为阻止日军进犯，第5战区确定分为左、中、右3个集团军，采取分路挺进敌后袭击日军，主力向两翼外线转移，相机与日军决战的方针，并调集6个集团军计21个军56个师的兵力参加作战。会战前后分为以枣阳为中心的作战和以宜昌为中心的作战两个阶段，战役几起几落。
第一阶段，从5月1日至下旬，以枣阳为中心的作战。中国军队主动出击，甚至达成了包围日军的预定战略计划。为了阻敌逃窜完成围歼日军队任务，中国第33集团军总司令张自忠将军亲率一部深入追击。5月14日，张自忠部在方家集将日军第13师团拦腰斩断。日军遂以优势兵力对张部实施包围夹攻。张自忠毫不畏缩，指挥部队向人数比他多一倍半的日军冲杀十余次，日军伤亡惨重，当即大量增兵。第二日，日军万余人分南北两路向张部夹攻。激战至5月16日拂晓，张自忠被迫退入南瓜店十里长山。日军以飞机大炮将南瓜店炸成一片火海。张自忠从早晨到中午，一直疾呼督战，中午时分，他的左臂中弹，但仍坚持指挥作战。到下午2时，张自忠手下只剩下数百官兵，他将自己的卫队全部调往前方增援，身边只剩下高级参谋张敬和副官马孝堂等8人。稍后，张自忠腰部又被机枪子弹击中，他卧地浴血奋战。后张自忠身上又中五弹，为了不让日军俘获，他举枪自杀。一代名将，壮烈殉国。随张自忠东渡作战的两千官兵亦于南瓜店十里长山全部牺牲。张自忠的牺牲，是中国抗战的重大损失。日军随后展开反扑，21日，日军再陷枣阳。
第二阶段，从5月下旬至6月24日以宜昌为中心的作战。日军占领枣阳后，由于损失惨重已无意再战，但担心完不成既定作战计划会失去“皇军的面子”，决心继续实施第二阶段宜昌作战。经反复争夺，在再次付出惨重代价后，日军才于6月12日攻占宜昌，但中国军队收复了中间地带。孤军深入的日军认为已经保全了“面子”，于16日将宜昌的军事设施破坏一空后撤退，中国军队随之跟进宜昌。不料日军大本营因德国打败了法国而激起疯狂的热情，命令日军据守宜昌，业已退却的日军突然回兵，于24日再陷宜昌。此后，日军无力继续进攻，战事渐止，中国军队与之展开新的对峙。
枣宜会战历时近两个月，中国军队英勇抗战，沉重打击了日军。战役虽然最终失败了，但以张自忠将军为代表的中国爱国军人伟大的抗战精神给日军以强烈震撼。
常德会战是太平洋战争爆发后，日军在中国战场上发动的一次反牵制作战。
1943年秋，太平洋战争的形势发生了根本性的变化，日军已被迫转为守势。在印缅战场，中美英也在计划联合反攻缅甸的日本驻军。日军为了策应太平洋战场和印缅作战，牵制中国军队南攻日军，认为“除了付诸于武力，别无其他方法可寻”。遂集中10万余人的重兵，并配备海空联合力量，发动了常德会战。
中国第6战区作为这次保卫战的主体，会同第9战区一部，部署了20万大军严阵以待，中国空军也协同作战。作战方针采取传统战术：“先以第一线兵团依纵深据点逐次打击敌军”，予敌重大消耗后转移至二线阵地“固守”，“再以第二线兵团，协同第一线兵团对敌实施机动作战，歼灭进攻之敌”。
1943年11月2日，会战开始。中国军队拼死作战，日军求胜心切，疯狂进攻，战况尤为惨烈。仅常德一地的保卫战，日军就先后投入约3万兵力、300余门火炮。中国守军仅为一个师，兵力仅9000人，在敌我力量悬殊的情况下与敌鏖战，坚守16昼夜，予敌重创。在50余天的会战中，共毙伤日军2万余人。中国军队付出了重大牺牲，师长阵亡者就有3人。日军虽然曾艰难地攻占了常德，但中国军队二线兵团随即展开反攻，日军见势不妙，仓皇撤退。会战以日军的被迫退却而告终。
在此次会战中，中国空军以及美国驻中国基地空军也参加了战斗，并取得重大战绩，集结轰炸机和驱逐机约200架，对日军飞机、舰船、地面部队展开攻击，有力支援了地面作战。中国军队依托阵地节节顽强阻击，迟滞日军进攻，给敌重大消耗，并以反攻恢复了原态势，给日军重创，粉碎了日军的作战企图，同时在战略上也配合了敌后战场的反“扫荡”、反“清乡”斗争。
在战略相持阶段，中日双方所进行的所有攻防战中，以三次长沙会战最激烈、最紧张，也最能体现战略相持的特点。
1939年9月1日凌晨4点45分，德国出动62个师、2800辆坦克、2000架飞机、6000门大炮，从东北、西南两个方向对波兰实施动闪电式进攻。8日，德军坦克部队推进到华沙外围。17日完成对华沙的包围。28日，华沙陷落。面对德国的行动，英国被迫在9月3日对德国宣战。以欧洲战场开战为标志，第二次世界大战全面爆发。中国成为第二次世界大战的重要战场之一。
也就在这一年，纳粹德国为了进攻波兰，竟然不顾日本这个“反共”伙伴，而与苏联签订了互不侵犯条约；日本作为北进的试探，悍然对苏蒙发动了诺门坎战役，结果遭到惨败，并屈辱地与苏联签订了停战协议。
欧战的爆发，进一步煽起了日本的法西斯狂热；德国人的背叛，使日本人恼怒不已；苏日的言和，又使日军可以专门致力于中日战争。这时，在华日本陆军已达到25个师团和20个独立混成旅团，合计换算为35个师团，共计922390人，加上海空军和其他部队，在华日军大大超过了100万。
此时，驻武汉的日本第11军，呈报了一个进攻江南的作战计划。日11军司令官冈村宁次，对于第9战区的中国军队一直怀恨在心，在武汉会战中第9战区让日11军吃了不少的亏。所以，冈村宁次一有机会就想找薛岳的部队复仇。
当时，日本的华中派遣军司令官西尾寿造大将，知道自己即将晋升为（即将组成的）中国派遣军总司令官职务，也希望能够有个战功衬托一下自己的高升，所以就批准了冈村宁次的作战计划。这个作战计划，选择了江西与湖南北部的第9战区发动攻击，希望能够摸到薛岳的主力聚而歼之。
1939年9月中旬，日军第11军抽调第6、第33、第106师团主力和第3师团上村支队、第13师团奈良支队、第101师团佐枝支队等共约10万多人的部队，在冈村宁次的指挥下，以“分进合击”“长驱直入”战法，从赣北、鄂南、湘北三个方向向长沙发起了进攻。冈村宁次以湘北为主战场，欲在汨罗江畔平江周围地区围歼第9战区第15集团军；以赣北为辅战场，在消灭高安附近守军后，转向修水上游策应湘北方面作战。部署在主战场的兵力有第6师团、上村支队、奈良支队、第33师团（在鄂南方向）等部队。辅战场为盘踞江西之靖安、奉新、高安、武宁等地的第106师团及配属该师团作战的第101师团佐枝支队。此外，直接支援第11军作战的还有陆军航空兵第3飞行团及海军一部。
面对日军的大举进攻，第9战区代司令长官薛岳（1939年10月1日被正式任命为司令长官）认为，中国军队在战区内具有良好的地理条件，如果采取诱敌深入、后退决战的策略，完全可以限制和消耗日军的装备优势，打破日军“攻击第一，包围第二”的战术，摆脱日军的围攻，化被动为主动。于是决定采取以湘北为防御重点，“后退决战”“争取外翼”的作战方针，调动30多个师又3个挺进纵队共约24万多人参加此次作战。
当时第9战区的兵力部署是：第15集团军在新墙河南北两岸占领阵地，对岳阳方向进行防御；第27集团军在平江以北之九岭、南江桥一带占领阵地，对鄂南通城方向进行防御；第30集团军在渣津、修水一线对赣北武宁方向进行防御；第1集团军在奉新以西，沿溪李—莲花上—罗坊—会埠之线由东向西展开，守备进出九岭山的交通要冲；第19集团军位于南昌西南外围，主力集结于浙赣路樟树镇（清江）地区。另有6个军又一个师共15个师为战区总预备队，分别集结于长沙以南以东的湘潭、株洲、衡山、衡阳、浏阳，及赣北上高、宜丰、万载等地。
长沙会战是从东线开始的。9月14日，中井师团和斋藤弥平太师团一部，从江西奉新附近向驻守会埠的卢汉第60军第184师包抄攻击，同时对宋肯堂军和孙渡第58军的阵地发动牵制性进攻。
四天后，中井师团猛攻王陵基集团军阵地。王陵基时年56岁，已在战场上度过20多个春秋，素有“王灵官”之称。面对日军猛烈的攻势，他有自己的一套战法。当日军炮火猛轰时，他不愿拿鸡蛋往石头上撞。他所指挥的两个军，夏首勋军正在修水防线，韩全朴军还在增援高安的途中。他立即电令韩全朴军火速回援，命令部队避敌锋芒，且战且退，在铜鼓一线决战。在驻防修水这几个月里，他早已看好了铜鼓一带的地形。
王陵基的部队在铜鼓向日军反攻，进展顺利，迫使日军沿着先前进攻的路线撤回出发点。王陵基率部占据了原有阵地，小战斗仍然零星不断。中井师团被牵制在修水，中井良太郎知道，在这一回合中，日军已不可能围攻高安。
同一天，在北面防线，关麟征命令张耀明第52军开到新墙河一线，阻挡日军进攻的锋锐。张耀明接到命令后遂派覃异之的第2师驻守新墙河，该师第113团胡春华营驻守比家山和草鞋岭阵地。
日军发起进攻后，胡春华营守卫着新墙河北岸互相依托的金龙山和斗篷山，坚持了三个昼夜。几百个活生生的年轻士兵，只剩下不到50人。7名伤员离队远去。
黄昏时，日军再次发起进攻，以前队大量的死亡为代价攻上了山头，他们看到的是中国守军整整一个营只缺7名士兵的尸骨。
第二天，日军集中一个旅团的炮火和兵力，轮番向草鞋岭发起猛攻。激战三天，守军史思华营伤亡过半，第四天，太阳落到山坳里的时候，史思华营官兵全部阵亡。日军支队长奈良昂走上山头，毕恭毕敬地向他的敌人躬身致敬。
在通城方向，甘粕师团向南猛攻，企图突破幕阜山夏楚中军的阵地，向南直插，配合岳阳方向的主力，围歼守卫第一线新墙河的第15集团军。
23日凌晨4点，日军稻叶师团集中80多门火炮，向防守南岸的张耀明军第2师阵地猛烈轰击，一小时后炮火延伸，日军开始强行渡河。守军顽强抵抗，鲜血染红了河水，日军第一次强渡失败。日军又向新墙镇和荣家湾之间的铁道正面重点攻击。这时，天空升起了两个红色的气球，这是日军在为自己的炮兵指示目标。果然，火炮铺天盖地打来，一层一层向前延伸。炮击之后，几十架飞机呼啸着轮番俯冲轰炸，同时，日军步兵主力进行强渡。新墙河一线的防御阵地岌岌可危。
下午，日军再次以炮火和飞机对第12团阵地进行毁灭性的轰炸。几十分钟后，第12团阵地工事全毁，守军大部分葬身其中，没被炸死的几百名官兵全部中毒（日军投放了毒气弹），丧失了战斗能力。日军占领了阵地，用刺刀将他们全部捅死。日军进入湖南境内以后，第一次渡过了新墙河。
25日凌晨，日军到达汨罗江边。上午9点，日军开始试渡，马上发现汨罗江绝不像新墙河那么容易渡过。这里水深流急，江面宽阔，徒涉是不可能的。日军急忙调来船只，在空军掩护下渡江。下午两点钟，十几架日军飞机对新市方向的守军阵地狂轰滥炸。下午5点，日军攻占了汨罗江南岸的重要据点新市和归义。
日军刚过汨罗江，白崇禧和陈诚来到战区薛岳的临时指挥所找到了薛岳。白崇禧说：“伯陵（薛岳字），我们给你带来了委员长的指示，辞修（陈诚字）兄传达一下吧！”陈诚掏出蒋介石的手令交给薛岳，轻松地舒了口气。薛岳看完手令，竟是要他弃守长沙，便神情严肃地对他们说：“我9战区几十万大军驻在湘北，竟然不守长沙，这军令职责何在？我已下定决心，第9战区誓与湖南共存亡！誓与长沙共存亡！”
白崇禧说：“难道你忘了南昌会战的教训吗？”提起南昌会战，薛岳的心头仿佛被戳了一刀，他几乎是冲口喊了起来：“这里绝不是南昌，长沙城我是守定了！”
白崇禧勃然大怒：“不要感情用事，服从命令是军人的天职！”“将在外，君命有所不受，就是砍了我的脑袋，长沙城我也绝不放弃！”薛岳似乎豁出去了。
陈诚当时是名义上的第9战区司令长官，见两人吵得不可开交，便低声问薛岳：“守长沙你有把握吗？”薛岳想了想，干脆而肯定地说：“有把握！”
听到这声回答，陈诚也陡增信心。他又问：“部队情况如何？”“除少数部队失去联系，绝大多数都在英勇作战，或有计划地调动转进。全军的杀敌热情很高，士气很旺啊。”
听了薛岳这番话，陈诚转向火气已消的白崇禧，小声说：“是不是先尊重伯陵的意见，让他守长沙？我们马上报告委员长，请他重新裁决，如何？”白崇禧无奈地点点头。
薛岳命令张耀明军和李觉军各留两团兵力继续阻击日军南下，其余部队全部撤退到长沙附近及以北地区，准备在侧面阵地上打击日军。
守军转移阵地后，最先与日军接火的是第52军。张耀明奉命指挥4个师在福临铺和上杉市一带设伏，侧击南侵的日军。
26日晚，覃异之师开到福临铺，进入伏击阵地，准备在该地区迟滞日军4天的行程，掩护主力撤退。第二天中午，覃异之派出便衣侦察敌情，与稻叶师团先头部队遭遇，便衣队长牺牲。大约黄昏，稻叶师团大队人马到达福临铺附近。
第三天清晨，日军步骑兵组成的搜索队向守军阵地逼近。待日军走近阵地，守军一阵猛烈扫射，日军顿时人仰马翻。约一个小时后，一个联队的日军步骑兵赶到，向覃异之师各阵地发动进攻。经过几小时激战，双方形成对峙状态。
覃异之为了保持部队的机动，下令全师于当晚撤退到上杉市一线。这时，日军已经占领了上杉市梁仲江第60师的阵地。覃异之和梁仲江商定，由覃异之师阻挡从金井方向南进的日军，梁仲江师重整旗鼓，迂回反攻上杉市。
30日上午，日军在捞刀河上架设浮桥，准备南进。过到桥中间，覃异之师与梁仲江师前后夹击，一阵猛烈扫射，日军伤亡惨重，在岸边停止不前。与此同时，李觉军在铁道沿线两侧阻击日军，经过激战，阻止了日军的步伐。
稻叶师团连日征战，两遭伏击，这一天就损失700多人。
日军占领了湘北广大地区，但是，长沙仍然是可望而不可即。冈村宁次接到报告：中国军队正向长沙方向退却集结，而日军主攻部队的后勤补给线几乎全被切断。他这时才明白，他的对手薛岳并非抵挡不住日军进攻，而是想以长沙城为中心，摆开一个口袋阵，张开了大口，要吞噬他的将士！万家岭的教训，使他不敢贸然孤军深入。10月1日，他下达了全线撤退的命令。第一次长沙会战遂告结束。
此次会战，日军集中兵力10万之众，未能达到歼灭第9战区第15集团军的目的，反而遭到有力的阻击、侧击，部分日军被包围，损失惨重。日军在会战前期，攻势行动艰苦；在会战后期，于对方反击下匆匆撤退，士气大受影响。日军伤亡达2万余人，国民党军队伤亡3万余人。
日军第一次进攻长沙失利，冈村宁次没敢再向长沙发起进攻。他的继任者园部和一郎在1940年转而攻击第5战区，造成张自忠在汉水沿岸的南瓜店壮烈成仁。日本第11军接着攻占了第6战区的战略要地宜昌，再次试探性地攻击第9战区。但是，日军在上高会战中纵兵轻进，大贺茂师团遭到中国军队巧妙的战术合击，损失惨重。园部急调樱井师团救援，同样遭到重创，王耀武的第74军一战成名。日军认为园部应负主要责任，第11军再次易帅。
年轻将领阿南惟畿中将，在四月野心勃勃地来到神往已久的中国，接任第11军司令官。他上任之后，立刻研究武汉四周的战局，决心攻占冈村啃不动的长沙，挫败薛岳的锐气，也显示一下自己的能耐。
其实，阿南的上司畑俊六更想攻击第9战区。已晋升为中国派遣军总司令官的他非常清楚，这里集结着中国军队1/4的兵力，其中大部分是中央军的精锐部队，如果能将这部分力量重创或消灭，一定会大大削弱国民政府的抵抗意志，迫使蒋介石早日投降。畑俊六对长沙作战寄予厚望，遂命令阿南再次进攻长沙，消灭第9战区主力。阿南惟畿接掌了园部的职务和野心，踌躇满志地考虑作战计划，将这次长沙会战命名为“加号作战”。
1941年9月，阿南惟畿指挥4个师团、4个支队、两个飞行联队和海军一部，共11万多人，分两路向长沙进攻。
薛岳对日军的进攻感到突然，却并不惊慌。他指挥13个军、一个挺进军和两个飞行大队，共30多万人，利用有利地形和既设阵地，逐次抗击，打算将日军诱到汨罗江以南、捞刀河以北的地区，予以歼灭。
9月7日，集结在岳阳西南的日军第6师团，由神田正种师团长率领一部，为掩护新墙河方向主力的展开，向大云山地区发起攻击。3个联队的日军在飞机大炮支援下，从东、西、北三面包围大云山，冲向欧震第4军的柏辉章102师阵地。
柏辉章很快发现，全师都受到日军的猛烈攻击。欧震严令他坚守，他便向全师下达“死守活打”的命令。他说：“只要阵地能守住，你们各用各的方法，与敌人周旋，拖延时间。”柏辉章与各团通话时，头上一片枪炮声和飞机的嗡嗡声。各团打退了日军的多次进攻，而最前沿的960高地仍然在102师手中。
第二天，日军集中5000人合击960高地。欧震看到有全军覆灭的危险，遂于傍晚下达了撤出战斗的命令。
第27集团军总司令杨森上将认为，大云山对于整个会战至关重要，电请薛岳将相距不远的陈沛第37军第60师拨归欧震第4军指挥。
9日，日军神田第6师团主力向大云山南侧包围，越过了新墙河。后半夜，杨森派欧震第4军、孙渡第58军的两个师和杨汉域第20军第133师发起反攻，侧击并合力截击已经渡河的日军，在激战中将日军压回新墙河北岸，并乘胜追击，迫使日军退到五龙桥和百羊田附近。
这时，日军青木第40师团在大云山附近接替神田第6师团攻打大云山，而神田第6师团则抽身退走，准备与陆续投入战场的日军主力共同对湘北发动总攻。这个交接过程非常迅速，当面的中国守军竟毫无察觉。
第二天，鲁道源首先率领新编第10师反攻，战到中午，这位滇军的佼佼者把旗帜插上了大云山制高点，收复了石塘冲和石壁桥，将当面的日军压迫到石庙一线。
11日拂晓，新编第10师、第59师、第102师和第60师合力会攻残敌，把没来得及换走的神田第6师团的重松第13联队围困在甘田附近。重松看到部队死伤惨重，而对方攻势有增无减，便准备剖腹自杀。中国军队4个师正在全力发动最后一击，青木第40师团的荒木联队赶到，和奄奄一息的重松联队一起稳住了阵脚。
日军两个联队合力反扑，13日和14日，大云山战场上的中日军队开始了对峙拉锯战。14日傍晚，薛岳命令杨森，部署孙渡第58军向西面和西南面挺进，欧震第4军向西面和西北面攻击。第二天，杨森接到报告，得知新墙河北岸日军正在架设浮桥，岳阳方向已有几万名日军集结和行动。杨森立即意识到，日军即将发动大规模总攻，大云山只是一个局部。于是他急电薛岳，报告了自己的判断。但是，杨森不甘心放走已在甘田成为“瓮中之鳖”的两个日军联队，他在向薛岳报告军情的同时，决定先消灭这股日军，再做下一步打算。他命令孙渡和欧震赶到前线指挥，师长一律在前线督战，各部于17日拂晓发动猛攻，务必一举歼灭甘田之敌。杨森没有料到，日军已经完成攻击准备，4个师团主力已并列第一线，另有两个支队配置在侧翼，摆开了一个钳形攻击的架势，一场更大规模的战斗即将爆发。
18日，日军开始总攻。4个师团同时出动，向新墙河杉木桥沿港口一线20公里的守军正面阵地发起全线猛攻。拂晓时分，40多门大炮同时开火，淹没了山野的寂静。50多架日军飞机在一瞬间倾下成吨的炸弹。
守军战士们刚刚抖落头上的尘土，只见几十辆装甲战车排成一线，向他们挤压过来。守备新墙河南岸阵地的欧震第4军，已将两个师的主力抽调去围攻甘田附近的日军，防线上只剩下第90师一个团和第102师的部分兵力。一线守军兵员匮乏，只能以惨烈的拼杀来阻挡日军推进。
两军正在激战，鲁道源第10师阵地后方突然降下日军伞兵，师部遭到伞兵袭击。接着，日军伞兵和正面攻击部队前后夹击，不到两个小时，鲁道源师全线崩溃。日军突破这块阵地以后，迅速向两侧攻击，第90师挡不住两面涌来的日军，很快就丢失了阵地。杨森发现，日军攻势的迅猛，投入兵力的巨大，超乎自己的预料。他命令部队放弃对被围日军的攻击，由孙渡率领第58军和第4军两个师的主力，迅速赶赴南岸抵抗。但是，守军一线已被突破，新墙河以西和粤汉铁路两侧，除了少数警戒部队外，已经没有主力部队阻挡日军了。
与此同时，日军平野支队在海军和空军协同下，向湘江口西侧上、下青山发起攻击，登陆成功，封锁了增援第9战区战场的通道。
薛岳已经判断出，日军投入的力量比第一次大，攻势凶猛很多。他急电军事委员会，请求增派三到四个军参战。此时，新墙河阵地已被攻破，他急忙命令陈沛军两个师死守汨罗江南岸的浯口、骆公桥、营田和湘阴一线，把傅仲芳第99军两个师拨归陈沛指挥。命令萧之楚的第26军占领汨罗江南岸金井到将军坝第二线阵地，准备与日军决战。命令韩全朴第72军改调平江，支援汨罗江战斗。命令战区炮兵指挥官王若卿率领炮兵第1团开往金井，指挥该团与重型迫击炮第2团，先协助陈沛军阻挡南犯日军，然后支援萧之楚第26军攻击。命令杨森指挥欧震第4军、孙渡第58军和杨汉域第20军在日军侧后从北向南进行侧击或迫击，尽可能消耗日军。
在两军鏖战的关键时刻，远在重庆的蒋介石，密切关注着湘北战局的发展。军委会的高参们已经和薛岳一样，意识到日军这次攻势非同小可。
19日傍晚，薛岳向各军下达的作战命令被日军破译。阿南派飞机进行空中侦察，然后将侦察结果与截获的电文对照，证明电文并无虚假，于是向各师团发布命令：“决定于22日黄昏开始行动，在捞刀河以北地区捕捉歼灭当面之敌。”
21日拂晓，萧之楚率领陈永的第44师作为先头部队，向指定地点进发。疲惫的陈永师刚刚到瓮江附近，早已集结在这里的日军神田第6师团便猛攻过来。陈永师猝不及防，被猛烈的炮火打蒙，等到反应过来，已被日军包围起来。
萧之楚指挥部队迅速占领有利地形。阻挡日军的进攻，日军火力不断加强，陈永师伤亡惨重。制高点几乎都被日军占领，居高临下的火力，压得陈永师抬不起头来。他急调王修身的第32师前来解围，并命令陈永死守待援。王修身当过冯玉祥卫队旅的旅长，是西北军中能征善战的名将。他立即命令部队急行军，驰援陈永师。22日，王修身师在路上被日军丰岛第3师团三面包围起来。日军枪炮齐发，部队伤亡严重。王修身立刻意识到，日军早就埋伏在这里等待他了，要把他的全师一口吃掉。他不敢恋战，命令部队边打边退，迅速稳住了阵脚，丰岛第3师团的包围落了空。
23日，神田第6师团一部向陈永部队背后运动，企图四面合击。第二天，萧之楚军向蒲塘突进。日军两个师团跟踪追击到蒲塘，再度对萧之楚军形成包围。25日，日军用凌厉的攻势，攻破了丁治磬师和陈永师阵地，把第26军军部和王修身师团团围住。这时，日军侧后突然响起剧烈的枪声，陈沛军一个失去联系的团开到蒲塘附近参加战斗，救了萧之楚军一命。
可是，陈沛军也是自身难保。守备洞庭湖与汨罗江所形成的三角地带死角的罗奇的第95师和李棠的第140师，正在遭受日军丰岛第3师团和北野宪三第4师团的围攻。中国守军以惨重的伤亡为代价，坚守在阵地上。这时，突入侧后的日军偷袭部队，摸到李棠师后方的伤员收容所，200多名轻重伤员被全部杀害。罗奇师在神鼎山顽强抗击北野师团的攻击，一直坚持到第二天下午3点，168高地的守军全部战死才撤退。
危难之际，陈沛接到薛岳的命令：南撤收容整理。与此同时，薛岳命令李玉堂的第10军策应陈沛军作战，李玉堂派出第190师、预备第10师和第3师投入战斗。但为时已晚，日军4个师团在沉重打击萧之楚军和陈沛军之后，继续南进，已经在福临铺和金井地区汇合，对刚刚到达的李玉堂军形成包围。
此时，陈沛电请朱岳190师火速北上解围。朱岳率领部抵达神鼎山附近，正要投入战斗，李玉堂转达薛岳的命令，让他将部队拉回福临铺防守。原来，薛岳想在金井和福临铺部署一道防线，由李玉堂军和陈沛军阻止日军南下，等待王耀武军和夏楚中军的增援。
朱岳率部回防，刚进入阵地时，正是清晨，经过一夜急行军的官兵来不及休息，日军飞机就飞临阵地上空进行轰炸。紧接着，尾随而来的日军在炮火掩护下发起了攻击。这时，1000多名日军向梁家塅西部直捣过来，朱岳只能率领直属部队应战。战斗中，师指挥所被日军飞机的炸弹命中，朱岳负伤无法继续指挥战斗，由副师长赖传湘代替指挥。
日军再次猛攻，赖传湘端起枪冲上第一线拼死厮杀，不幸阵亡。师部能战斗的人员仅剩10名，一时群龙无首，阵地陷入混乱。师参谋长陶修代理副师长，率领师部残余人员突围，在株洲收容部队。
方先觉的预备第10师在金井一线的处境也很困难。神田第6师团在飞机掩护下分三路猛扑过来，阵地大部分被炸毁，双方处于激烈混战状态，伤亡都很严重。这时候，日军的另一个支队又向南迂回，抄袭方先觉师阵地后方，企图切断守军退路，形成四面包围。方先觉只好收拢部队，占领学术桥一线阵地。但是，丰岛第3师团又在这里发动攻击。方先觉见抵抗无望，只得下令各团自行组织撤退突围，于27日在长沙以北收容集结。
与此同时，周庆祥的第3师左右两翼阵地，分别被北野师团和第3师团紧紧围攻。激战中，神田第6师团和青木第40师团各自击破当面的中国守军，一齐向南涌来，周庆祥师顿时被日军切成了好几段。周庆祥看到敌我力量悬殊太大，命令各团突出重围。
湘北三个主力军迅速被日军逐个击溃，汨罗江防线被突破。薛岳看到了不愿看到的局面。眼见得日军向长沙步步紧逼，薛岳手中只有一张王牌可用了，那就是山东人王耀武指挥的第74军。
王耀武立即率领3个师和军部向长沙进军。他不知道，日军早已从电台通讯中截获了他这个军的动向，正张开一面大网，企图歼灭他们恨之入骨的这支中国王牌军。王耀武军通过浏阳城西的蕉溪岭隘道时，日军飞机轮番轰炸扫射。这条羊肠小道约有七公里，两面都是石山，王耀武军无处躲藏，遭到沉重打击。
王耀武预感到当面的日军数量不少，而且是以逸待劳。他不能坐以待毙，遂命令余程万率领第57师两个团向春华山行进，李翰卿率领第51师的两个团在春华山以北向东侧击，支援余程万师。李翰卿的部队到位以后，他手持冲锋枪率部进攻，以猛虎下山的气势打得日军抬不起头来。眼看日军就要溃退，但是日军的增援部队到达了，李翰卿的部队有被包抄的危险。
李翰卿知道只能前进不能后退，否则不但自己的阵地不保，日军还会压向余程万师的阵地，导致全线溃败。他举枪率先冲向日军阵地。士兵们一阵呐喊，猛冲猛杀，日军死伤无数。而李翰卿身中三弹，为国捐躯。李翰卿师的进攻减轻了余程万师阵地的压力。
余程万师在阵地右侧和日军激战，日军北野师团又从左侧增援，余程万师两面奋勇迎战。打到29日下午，日军的凌厉攻势都没奏效，只得重新部署。余程万师一天急行军后激战一昼夜，伤亡了3000多人，战斗力锐减。
与此同时，廖龄奇的第58师打退了神田第6师团一部的进攻。第二天拂晓，日军开始新的攻击。廖龄奇师经过长途行军，又遭到日军侧后袭击，全师阵地被日军切割成好几段，各级指挥官对部队失去了控制，而日军还在不断地增兵进攻。激战四个多小时后，廖龄奇师全面崩溃。
第74军面对日军4个师团的进攻，独力难支，而王耀武手中没有其他部队可以增援，遂命令李天霞师迅速占领阵地阻击日军，收容廖龄奇师的溃军，同时命令余程万师在石塘铺一带阻击南进的日军。
74军调整部署以后，将士一同奋力，打退了日军的多次进攻。黄昏，日军再次猛攻第51师阵地。李天霞看到日军的进攻集中在一个窄面上，显然是想攻取一点，突破阵地。他担心这段阵地被突破，便急调兵力增援，擅自将部队向东收缩，在阵地上让出了一个大空隙。日军立即蜂拥而上，打开一个缺口。
日军打破夜间不轻易出击的常规，派大部队夜袭王耀武的军部，将军部直属部队打散。王耀武只得靠着卫士排掩护仓皇突围。
薛岳没想到王耀武军失败得如此之快，伤亡如此之惨。更令他不安的是，第6战区和第7战区的增援部队尚在途中，他手中没有强劲的部队来阻止日军进攻长沙了。薛岳只好命令敌后的欧震第4军、孙渡第58军和杨汉域第20军向长沙靠拢，又命令萧之楚军、陈沛军、李玉堂军和王耀武军的残部，也向长沙方面的日军发起攻击。
30日，陈诚第6战区王甲本的第98师到达，立即占领长沙北侧两公里处阵地，当晚就与最先向长沙城发动攻击的日军早渊支队接战。王甲本打算将日军阻遏在长沙郊外，命令部队主动进攻。战至第二天拂晓，早渊支队的主力到达，依靠飞机支援，突破了王甲本师防线。当天下午，早渊支队从长沙城的东北角冲入，守住新开铺至武城门一线，掩护日军其他部队入城。
当天，余汉谋第7战区邹鸿暂编第2军的暂编第8师，赶到了长沙东郊左家塘附近，获悉日军已从北门进攻市区，就改向郊区的日军攻击。
10月2日，夏楚中军的赵季平暂编第6师到达岳麓山，东渡湘江，驱逐进攻长沙的日军。赵季平率师主力渡过湘江后，向长沙城内的日军发起攻击，与早渊支队发生巷战。这时，日军北野师团主力也开到了长沙，丰岛第3师团、神田第6师团和青木第40师团全部到达长沙外围。赵季平见双方兵力悬殊，便率部撤到城外。
日军攻占长沙后，以北野师团留驻长沙，丰岛第3师团继续向株洲方向追击，企图歼灭南撤的中国军队。
4日清晨，丰岛第3师团的一个骑兵大队突进东山附近。杨宏广新编第3军的新编第12师刚刚抵达马鞍山和白田铺一线布防，用轻重机枪向日军齐射，日军骑兵大队四处逃散，失去了战斗力。
两小时后，日军后续部队的4000多名骑兵，在30多架飞机的掩护下赶来增援，企图包围新编第12师。第12师面对强敌，愈战愈勇，打退日军的多次进攻。下午，日军又增加兵力，攻势空前猛烈，眼看就要攻入守军阵地。刘世焱团长端起一挺机关枪，纵身跃出战壕，向日军猛冲过去。战士们紧跟着向日军冲去，将日军的攻势压了下去。冲在前面的刘世焱，左臂受伤，包裹后再次受伤，胸部又中五弹，壮烈牺牲。
新编第12师刚刚稳住阵脚，敌后的战场上出现了转机。杨森率领欧震第4军和杨汉域第20军向金井方向开进，从北向南到达长沙北面的郊区，准备围攻长沙城。战局的主动权回到了中国军队手中。
阿南惟畿呆在岳阳的指挥所里，神情沮丧。他的50辆装甲车全部被击毁，护卫装甲车的1000多名步兵全军覆灭。
阿南的压力不仅来自长沙。9月26日，陈诚的第6战区以最快速度调集兵力，乘宜昌日军兵力空虚之机发动了大兵团反攻作战。驻宜昌的日军第13师团长内山英太郎向日本派遣军总司令部告急。畑俊六知道，攻占宜昌是裕仁下达的作战指示，如果丢了宜昌，内山被歼，后果过于严重。他急令阿南回援宜昌。阿南惟畿遂命令全线撤退。
薛岳果断地下令追击。傅仲芳军斜插过来，阻挡日军的退路，迫使日军三个师团绕道而行。在阻击战中，傅仲芳军击落日军飞机一架。10月9日，日军退过新墙河，回到原防，筋疲力尽的中国军队，也无力再向前攻击。第二次长沙会战降下了帷幕。
1941年底，日军发动了太平洋战争，中国加入到同盟国行列，并正式向德意日宣战。从此，中国的对日抗战，成为国际反法西斯战争的一个重要组成部分。
在日军的南进作战中，攻占香港是一个重要的环节。为了牵制日军对香港的进攻，蒋介石从第9战区抽调战斗力很强的欧震第4军和王耀武军增援广东和广西，命令第4战区与第7战区向日本广州方面军进袭，又调杜聿明军、甘丽初军和安恩溥军从广西和四川向云南方面移动，随时准备进入缅甸，协助英军作战。
日军大本营命令第11军再次进攻湘南，以牵制中国军队的南援行动。阿南惟畿接受命令后，于1941年底命令部队向长沙方向推进。阿南惟畿宣称，1942年元旦他要在长沙过新年，向全世界宣布，香港已为日军所占，长沙成了他阿南惟畿的领地。
蒋介石高度重视日军动向，来到南岳督战，给薛岳发电报指示兵力部署：“我第二线兵团稍后退配置，占领有利地势，主动把握战机，从各方面攻击敌人。”
薛岳早在一个多月前，就在长沙召集军以上指挥官参加的防卫会议上制定了“天炉战法”，即在诱攻和伏攻地区纵深配备兵力，从四面八方围歼日军，犹如在一个天然的巨炉中熔化铁石。
日军打头阵的是丰岛第3师团，后面依次是神田第6师团、青木第40师团和池之上混成旅团。24日黄昏，日军冒着风雪严寒，强渡新墙河。第9战区杨汉域第20军的133师和134师在这里抵抗日军。战到第二天中午，日军的后续增援部队向杨干的第134师阵地全面发起攻势，集中4000多人向第400团猛攻，激战4个多小时，突破了守军第一线阵地。杨干命令全师撤到第二线阵地，继续抵抗。
第27集团军司令杨森在前方指挥，看到日军发动大规模的全面进攻，便命令孙渡第58军的新编第11师开到杨林街附近，协助杨汉域第20军作战。当天傍晚，日军神田第6师团向正面的第133师阵地发动进攻，强渡新墙河。午夜12点，日军全部占领新墙河南岸的第一线阵地。丰岛第3师团紧随神田第6师团之后，徒步涉过新墙河。
湘北日军的3个师团分为东、西、中三路，齐头并进，步步向南进逼。中路日军第6师团攻势最为凶猛。坚守傅家桥据点的第398团第2营与日军反复争夺阵地，日军久攻不下，用猛烈的炮火攻击。营长王超奎领着剩下的10名战士死守，直到被炮火埋葬在据点里。第3营防守着洪桥据点，副营长吕湘滨和连长戴崇谦中弹阵亡，残部仍然拼死抵抗。中路日军好不容易找到一个空隙向南钻入，遭到第397团的伏击，神田正种只好下令绕道推进。
第二天拂晓，杨汉域第20军在新墙河防线的最后一线阵地继续抗击尾随而来的日军。这时，日军丰岛第3师团与神田第6师团合为一处，沿粤汉铁路线南下，向汨罗江突进。
杨森见日军向纵深前进，第20军有可能遭到围攻，遂命令孙渡第58军的两个师夹击围攻第20军的日军。激战到傍晚，战事延伸到守军野战工事的第三线，阵地失而复得、得而又失，双方形成拉锯战。
28日，杨森接到薛岳下达的后撤命令，要求杨汉域率部向梅仙和平江以东地区转移，准备向日军侧后攻击。命令孙渡第58军实行逐步抵抗，逐渐向东南方斜线移动，撤到汨罗江南岸右翼的山地，从侧面攻击日军。同时，薛岳将陈沛第37军和傅仲芳第99军摆在这里布防，构成战区的第二道防线。两个军以骆公桥为界，陈沛军守备骆公桥以东一线，傅仲芳军守备骆公桥以西的湘阴和营田一线。
当天，神田先头部队首先进攻汨罗江以北的陈沛军第95师警戒阵地。稍后，青木第40师团的先头部队，开始进攻陈沛军第60师的警戒阵地。日军的进攻没有进展，后续部队集结增援，再度发起攻势，直到守备长乐街的一个排全部战死，日军才占领了长乐街。夜晚，日军的两个师团全部渡过了汨罗江，直接威胁陈沛军第一线部队的左侧。
这时，阿南惟畿获悉日本第23军占领了香港，同时得到一份情报：他对面的中国第9战区由于部分兵力南调，长沙守备力量薄弱。阿南看到自己的部队推进顺利，也证实了守军兵力空虚，便认为第11军进攻长沙的时机已经成熟。
12月30日，薛岳得到报告：日军主力分别到达长沙外围，准备从东、北、南三面围攻长沙。日军的第二线兵团，即池之上旅团、外圆支队、元泽支队和野口支队，分别达到汨罗江以北地区，正在继续向南推进。
此时，汨罗江以南的第37军、第99军仍在顽强抗击着当面的日军第40、第6师团及第3师团。薛岳见南犯的日军已全部进入了“炉膛”，这才命令该两军按照原定计划让开中间，撤向两厢，养精蓄锐，待机反攻。入夜后，第37军军长陈沛率部由浯口以南向东面的社港地区后撤；第99军从归义退向湘江沿岸的营田与湘阴一线。而留在敌后的杨森则令所部袭击驻新墙东南长胡镇的日军辎重兵第40联队，联队长森川启宇中佐被击毙，所部伤亡惨重。
此时，蒋介石根据连日来的战场情况已判断出日军有沿粤汉线逐步推进、攻占长沙之企图。他担心第9战区二线部队被迫投入战斗而影响日后的决战，遂给薛岳发了一封电报：“一、敌似有沿铁道线逐步推进攻占长沙之企图。二、该战区在长沙附近决战时，为防敌以一部向长沙牵制，先以主力强迫我第二线兵团决战，然后围攻长沙，我应以第二线兵团距离于战场较远地区，保持外线有利态势，以确保机动之自由，使敌先攻长沙，乘其攻击顿挫，同时集举各方全力，一举向敌围击，以主动地位把握为要。”
蒋介石的意见与薛岳的想法不谋而合。为鼓舞士气，坚定歼敌决心，薛岳于当天下午13时又以“卅午忠电”训令各部：“第三次长沙会战，关系国家存亡，国际局势之巨。本会战职有必死决心，必胜信念。为捕拿战机，歼灭敌人，获得伟大战果计，经规定下列三事，分电各部遵办：（1）各集团军总司令、军长、师长务确实掌握部队，亲往前线指挥，俾能适时捕拿战机，歼灭敌人。（2）职如战死，即以罗副长官代行职务，按之计划围歼敌人；总司令、军、师、团、营、连长如战死，即以副主官或次级资深主官代行职务。（3）各总司令、军、师、团、营、连长倘有作战不力，遗（贻）误战机者，即按革命军连坐法议处，决不姑宽。”
他将此意分电各部的同时，又致电报给蒋介石。蒋介石于1月4日复电：
“卅午忠电悉。兄能具此决心，督励所部，良堪欣慰。当此友邦并肩作战之际，甚盼此次会战能获得决定之胜利，以为我国革命军人争得无上之光荣也。”
30日晚上，薛岳正式下令，准备围歼向长沙进犯之日军：
（一）战区决定以各兵团向长沙外围之敌军，攻击聚歼之。
（二）杨森指挥第58军，由长乐街向安沙；第20军由清江口经福临铺向石子铺，索敌攻击。攻击到达线第一次为三多桥、安沙，第二次为傅家冲、周婆塘之线。
（三）王陵基指挥第37军（缺第140师）由瓮江向望仙桥；第78军由三角塘、更鼓台向长桥，索敌攻击。攻击到达线第一次为春华山、东林寺；第二次为大湾港、长桥之线。
（四）罗卓英指挥第26军主力，由洞阳市攻向朗梨市；一部由江花桥经永安市，协助军主力索敌攻击。第79军（附第194师）主力由金潭向黄花市以南，一部由渡头向柞山桥索敌攻击。攻击到达线第一次为东林寺、柞山桥、大圫铺之线；第二次为朗梨市、东山、金盆岭之线。
（五）第10军固守长沙及水陆洲，第73军固守岳麓山，俟各兵团到达第二线攻击时即断行反攻。
（六）第99军（附第140师）以第197师固守湘江西岸洞庭湖南岸原防；第92师由三姐桥经桥头驿、第140师由栗桥经官桥，向捞刀河之敌攻击，攻击到达线第一次为桥头驿、官桥之线；第二次为捞刀河市附近。第99师固守双狮洞、湘阴、营田，并以一部由明月山、双狮洞向栗桥、福临铺侧击敌军，截断敌补给线。
12月31日，日军主力已分别到达长沙外围附近，第40师团一部到达长沙以东的永安市附近，主力在上杉市以南地区；第6师团一部到达朗梨市附近，主力在麻林市以南地区；第3师一部到达石子铺附近，主力在唐田庙附近。第二线兵团的日军独立混成第9旅团、外园支队、泽支队、野口支队分别到达汨水以北地区，向南继续前进。
薛岳下达了总攻命令：“各部从1942年元月1日子夜开始攻击，限元月4日晚到达第一次攻击到达线。”一场大规模的围歼战即将展开。
第10军以第190师防守长沙外围各据点，以第3师防守市内各要点，预备第10师在岳麓山一带驻防。12月30日，第10军又视情况调整了部署。1月1日凌晨，在长沙保卫战正式打响之前，李玉堂又下令，除留下一两只机动小艇供联络用外，湘江内的一切军用和民用船只，全部都撤往水陆洲和湘江西岸。
1942年1月1日晨，日军第3师团渡过浏阳河，从东南方逼近了长沙守军的前沿阵地。11时，丰岛房太郎师团长正式下达了进攻长沙的命令。中午12时，猛烈的攻城战就开始了。
日军第3师团野战炮兵第3联队首先向预备第10师的阵地猛烈轰击。炮声未停，石井信与的野宪三郎便各率所部，向狮子岭、金盆岭一带守军最前沿的阵地发起猛烈的冲锋。
日军第3师团第18联队在攻下预备第10师第29团防守的阿弥岭阵地后，又跟踪追击第29团至罗家冲、侯家塘。此时，预备第10师第28团接战。日军另一路突破石马辅、雨花亭进至黄土岭、金盆岭一线。第28团在岳麓山重炮的支援下，在候家塘、黄土岭、东瓜山、修械所与日军反复拼杀，连伙夫、马夫也上阵御敌，击退日军十余次冲锋。
驻守南门外左家塘据点的预备第10师第29团曹健生营的全体官兵，从中午直到薄暮，顶着日机的疯狂轰炸和扫射，打退了日军一次又一次冲锋。最后，全营官兵全部战死，壮烈殉国。
到傍晚时分，日军仍未能完全突破预备第10师的第一线阵地。一心想要在长沙过元旦之夜的丰岛房太郎，于18时30分急令师团直辖的加藤大队投入战斗。这个大队素以擅长夜战而闻名，可以说是第3师团的一张“王牌”。
丰岛房太郎没想到，他的这支奇兵在冲到守军第二线阵地时就被缠住了。战至次日凌晨2时左右，加藤大队长带领3名副官，偷偷地穿过城外的房屋，越过守军兵营，欲潜入市内。当他们刚摸进守军的步哨线，加藤就被隐藏在屋檐下的一名守军士兵击中小腹而命归西天。另外3人中也有两人被击毙，只一人逃出。该大队为了夺回加藤的尸体，曾反复进行了几次冲锋，但均未见效，最后全军覆没。
在长沙东南侧和南门外的日军从傍晚起虽然又发起了数次冲锋，但仍无法攻进长沙。丰岛房太郎的希望彻底破灭了。
1月2日，激烈的战斗仍在长沙城东门至南门一带继续着。凌晨1时30分，城南打靶场的日军开始向邬家庄、小林子街进犯，与守军展开白刃肉搏战。守军寡不敌众，邬家庄与小林子街相继失陷。驻守黄土岭一带的预备第10师第30团阮营长闻讯后，立即带上本部官兵80余人，乘日军立足未稳之际，予以迎头痛击，一举夺回了小林子街与邬家庄的阵地。
3时20分，日军再次向邬家庄、小林子街发动攻击。第10军军部令预备第10师第29团留一个营坚守金盆岭、黄土岭附近阵地，余部在团长陈新善、副团长曾友文的率领下增援作战。天亮前5时许，终于将日军赶出小林子街与邬家庄。陈新善、曾友文在与日军的肉搏战中英勇献身。
第3师团第68联队第1、第2大队经过苦战进占西湖桥，而后两股日军分别向东瓜山、妙高峰冲击。东瓜山失守后又被第29团反攻夺回，后又得而复失。特别是争夺修械所的战斗，双方死伤甚众。据回忆：“修械所所在地的山头，南高北低，最北处有碉堡一座，敌人反复冲锋，终被击退。最后双方进行肉搏，场面十分惨烈，仅200米的阵地上，敌我双方的尸体达四五百具之多，打断的枪支，刺弯的刺刀，横七竖八，狼藉满地，双方死亡的兵员，尸身遍野。战斗之激烈，不堪言状。”
日军第18联队则相继攻占了左家塘、妹子山、识字岭、圣经书院等据点后，随即分兵攻打浏阳门、小吴门。第3师官兵顽强固守，守住了这两座城门。
傍晚时分，阿南惟畿在接到前线战报后，又令第6师团从长沙城东侧和北侧加入战斗。他此次对于攻下长沙仍是胸有成竹。
薛岳此时更是胜券在握。因为他已获得了一份绝密情报。当预备第10师的官兵于1月2日下午全歼了在白沙岭民房内负隅顽抗的日军加藤大队后，在清扫战场时意外地发现了加藤大队长的尸体，从他身上缴获了日军此次作战的计划和命令等文件。薛岳从中得知了日军各师团所在的位置和担负的任务，并得知其携带弹药的数目及其前线作战部队弹药已不足等重要情报。薛岳以少有的激动拍案大叫：“一纸虽轻，胜过万挺机枪也！”他立即将有关情况通报给各部队，令各部按预定计划快速向长沙外围合拢，以达围歼日军的目的。
日军第6师团接到进攻长沙的命令后，其步兵第13、第22联队及独立第2联队于1月2日晚从洪山庙、湖渍渡渡过浏阳河，经德雅冲、伍家岭、开福寺向第190师防御阵地发起进攻。其中以杜家山争夺战尤为激烈。杜家山位于湖渍渡西岸（今动物园东南山），是长沙城东北面的制高点。守军第570团连续击退了日军十余次冲击。
经过第二天的血战之后，守城的第10军官兵伤亡较大，只好缩短阵地，退守第二线据守，与来犯日军展开更艰苦的第二轮搏斗。
1月3日，长沙城的保卫战进入了最艰苦的阶段。黎明时分，日军第6师团从长沙城东北侧、第3师团从东南侧至南侧，连成一线，集中炮火同时向长沙城的北门、东门和南门守军第二线阵地进行炮击。第9战区岳麓山的炮兵立即以炮火进行压制。由于日军炮弹已快用完，所以时间不长炮击便逐渐停止。但两个师团的步兵却发起了猛烈的冲锋。
守卫城北湘雅医院的第190师第569团团长符志豪打电话向师部告急，朱岳亲自督战兴汉门。
守卫东门外窑岭、识字岭一带阵地的第3师第7团团长张振国告急，师长周庆祥督战天心阁。在无兵增援的情况下，张振国亲自带了两名机枪手，封锁窑岭与识字岭之间的道路才稳住了阵地。
守卫南门外黄土岭、乌岭冲、太乙寺一带阵地的预备第10师第30团团长葛先才告急，方先觉亲自往南门口督战。
在这一天，只有第190师第568团守卫的小吴门没有出现危急难支的局面。该团团长陈家堂毕业于军校工兵科，长于阵地守卫战。他在日军进攻之前，就在小吴门外的十字路口构筑严密的工事，组成强大的交叉火力网，封锁了敌人攻城的唯一通道；在其他支路道口，他以砍伐街树、推倒危房、堆放桌椅门窗的办法，密密层层地加以堵塞。有些必经之路还洒上了大片粪便和污泥浊水，使敌人望而却步，无法包抄掩袭。
这天上午，第73军第77师渡过湘江，增援第10军守城。
此时，战场上突然传来了蒋介石于2日午夜签发给第10军全体官兵的一份热情洋溢的电报。蒋介石此时自是别有一番寓意：12月25日，日军攻占了香港；1月2日，日军又攻陷了菲律宾的首都马尼拉。驻守香港、马尼拉的英美军队在日军的进攻面前，节节败退，一触即溃；相比之下，第9战区的军队却顶住了日军的进攻已近半月，特别是在1日和2日这两天的长沙保卫战中，第10军官兵死守阵地、敢打硬拼的视死如归的精神更是令蒋介石感到欣慰。因此，他便马上给正在极端困难的情况下血战几十个小时、死守长沙城的第10军发了一份长长的专电：
我第十军全体官兵，两日来坚守阵地，奋勇歼敌，致堪嘉慰。此次长沙会战之成败，全视我第十军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人，此种光荣重大任务，全国军民均瞩目于我第十军之能否完成，亦即我第十军全体官兵成功成仁之良机。敌人悬军深入，后方断绝，同时我主力正向敌人四面围击，我第十军如能抱定与长沙共存亡之决心，必能摧破强敌，获得无上光荣。望激励所分部，完成使命，无负本委员长及国人所期为要。
蒋介石的这份电文在第10军中一级一级地向下传达，这对于连续作战而伤亡惨重、筋疲力尽，几乎已经到了崩溃边缘的士兵们来说，无疑是一个巨大的鼓舞。这些普通而平凡的士兵，突然知道自己的行动已经受到最高统帅和全国军民的注意与重视时，就好像一下子看到了自己生活的意义与自身的价值，低沉的士气重新又高涨起来。
据日方记载，当天第3师团的战斗情况是：进攻长沙东门的石井部队仍在城墙附近与守军进行肉搏战，但由于弹药极端缺乏，有的士兵在拼刺刀中战死。进攻南门之的野部队于早晨6时30分占领南门外的东瓜山阵地，但大队长横田庄三郎被击毙，而且“重庆军凭据附近一带的无数掩蔽工事，进行顽强抵抗，毫无退却的征兆，兵力愈加增多，事先已经储备好的大批弹药发挥了作用，反复逆袭达数十次”；“横田大队的左侧面已暴露在岳麓山的重炮阵地之下。从正面又受到了优势兵力的反攻，终日在反复地死斗中。正在第一线联络的联队副官神野一郎大尉战死，第5中队全体干部负伤。此时，弹药已经全部用尽”。
第6师团的战斗情况是：“3日拂晓，各部队进入长沙城东北侧，一齐开始攻击。特别是步兵第23联队第12中队急袭了长沙城北侧阵地，在13时左右很快地挺进到湘江畔。另外第2大队占领了长沙城外的阵地。重庆军从湘江对岸的岳麓山，以重炮（15榴）应战，猛烈轰击。下午各部队虽继续在城墙外围竭力攻击，但战斗陷入胶着，由于重炮（15榴）的集中轰击，我方不断伤亡。”
此时第9战区的大军正迅速向长沙外围合拢。至傍晚时分，第9战区就形成了以两个军（第10、第73军）固守长沙、岳麓山，4个军（第26、第79、第4、第74军）分别进占长沙以南、以东的金盆岭、朗梨市一带，5个军（第20、第58、第37、第99、第73军）分布于汨水、捞刀河之间地区，控制着日军退却路线，形成从东南、东北、西面及北面对日军的包围圈。
薛岳通令各部，限于1月4日晚全部进入第二次攻击到达线。
此时的日军已岌岌可危。但是阿南没有立刻下令日军撤出战场，反而要求再进行猛攻以占领长沙，突破中国军队的包围。11军的参谋长木下勇少将以及全体参谋，都发现日军在长沙的局势已经十分危急了，若是再不迅速脱离战场，恐怕就要遭到无法收拾的下场。他们向阿南提出反对意见，才迫使阿南在最后一刻同意参谋长的请求，下令日军设法尽快退出阵地。
1月4日下午，接到撤退的命令、到了规定的撤退时间——太阳落山后，攻城的各路日军便准备开溜。一些被缠住的无法脱身的日军，想尽办法脱离战场，而担任掩护撤退任务的日军只能恨自己倒霉。
日军第3、第6师团从长沙城下仓皇撤退时，首先遇到的就是第9战区的主力军、曾以“铁军”著称的第4军的堵击。不过，该军围歼的重点是日军第3师团。丰岛房太郎率第3师团战斗指挥所先行撤退，第68联队跟着撤退。可是，当退到雨花亭北侧时即被第59师包围。的野宪三郎联队长拔刀保护军旗，命令第2大队从后面冲上来担任前卫，才杀出一条生路。日军第3师团在这一夜之间的撤退路上就丢下了1000多具尸体。
5日凌晨，好不容易到达浏阳河畔东山镇的第3师团，又遭到对岸第98师两个团猛烈的炮火袭击，河上的桥梁早已被毁，第4军正由背后追来。丰岛房太郎只好命令部队沿浏阳河南岸从磨盘洲附近徒涉。
此时后面追击的第4军已逐渐逼了过来，丰岛房太郎赶紧把身边仅有的一些参谋、勤杂人员组织起来进行阻击。幸亏其后继部队第68联队及时赶到，才救了丰岛房太郎一命。
在长沙城东北一线的日军第6师团，趁着第3师团在长沙东南部与第4军激战突围时，撤到了朗梨市一带，并在朗梨市边的浏阳河上架好了渡河的军用便桥。丰岛房太郎为了保命，丢下大部队，自己带着几个侍从利用堤坎的掩护，徒步跑到了高桥。后来，第3师团的大部队在第6师团的接应下，从朗梨军桥撤过了浏阳河。
在磨盘洲附近的日军战至黄昏后，已无力再战，又与主力失去了联络，手足失措之余，乃集结残众竖起白旗示意投降。不料，第292团官兵战兴正酣，且暮色苍苍，仓促中没有理解这是日军投降的信号，还以为日军在耍什么花样，于是不管三七二十一，又对其进行了一番猛烈扫射。此股日军最后乘夜暗向东山、谷塘、永安等方向逃窜。第二天，第292团清扫战场时，在磨盘洲一带鏖战过的地方，发现日军尸体300余具，师长王甲本集尸葬之，并立碑“倭寇万人冢”以志。
1月6日，日军第3、第6师团离开朗梨市，向北退去。欧震第4军和由萧之楚率领的第26军紧追不放。丰岛房太郎和神田正种此时都不敢恋战，两个师团排成长长的并列队形，继续向枫林港一带撤退。
同时，在金井附近的日军青木第40师团则奉命开始南下，其主力于6日黄昏进到春华山以北地区，掩护第3、第6师团的撤退。可是青木第40师团的先头部队进抵金井时，被中国守军的外围部队从东、西、北三方合围，无法突出。等到增援部队赶来后，400名日军只剩下20名，几乎是全军覆灭，大队长和两名中队长都被击毙。1月7日，青木第40师团好不容易现了踪影，他们一路留下尸体，艰难地到达春华山一带。
这时，中国第9战区的部队，从东南面、东面、东北面、西北面和西面对长沙的日军实施合围。前有兵堵，后有尾追，侧面也有打击，第三次长沙会战，终于到了熔炉升到最高温度的时候——聚歼日军。
日军饥疲交加，伤亡惨重。到15日，日军退过新墙河，固守原地。第9战区担任尾追的各军追到新墙河以南，还有一支部队向新墙河以北追击。湘北地区也成了“烧烤”侵略军的“熔炉”。中国军队的激情，洋溢在湘北战场。
从汨罗江到新墙河，只有短短的80公里，日军足足走了8天。败退的日军在中国军队一波又一波的攻势下，全靠日本空军不断地提供空中火力支援才得以脱险。这是日军在中国战场上遭到的比在台儿庄还要凄惨的败仗。假如不是中国军队为了要策应缅甸作战，调走了更多的精锐部队，或是木下勇没有说服参谋强迫阿南及时下达撤退命令，只要日军的撤退再晚48小时，那么日军绝对会在第三次长沙会战中，发生整个师团被完歼的惨败下场。
中国军队第三次长沙会战的胜利，是盟军在反法西斯战场上屡遭挫败之际所取得的唯一一场胜利，意义不同寻常。英国《泰晤士报》评价道：“12月7日以来，同盟军唯一的决定性胜利就是华军之长沙大捷。”为了表彰薛岳，蒋介石给予他最高奖赏——青天白日勋章。罗斯福总统也奖给他一枚独立勋章。
