1941年9月20日，阿南司令命令下达，将日军主力推进至汨水南岸，准备下一步攻击。
20日夜至21日，日军第3、第4、第6师团渡过汨罗江，并将正面逐次向东移动，准备22日黄昏总攻，决心包围汨罗江南岸守军的右翼后予以全歼。其第40师团沿关王桥、长乐街以东山地，经三枣桥向瓮江挺进。当时，汨罗江南岸第37军主力及第99军主力并列守备神鼎山、鸭婆山一线阵地，第26军正向瓮江挺进。势态已经明了，两军必在汨水两岸展开殊死战斗。同日，蒋介石命令第六、第七战区各派一个军驰援长沙，并命令中央直属的第10、第26、第70、第74军划归薛岳指挥。
不知密码已被破译从而采取了相应对策的薛岳，仍以为敌主力尚在汨水以北，遂命令第27集团军全力攻击北岸敌军。如此，日军仅以一个师团又一个旅团的兵力，在汨水以北牵制住本来就延误时机的第27集团军全部兵力到26日。
21日至23日，第58军在洪桥，第20军在关王桥，第4军在洪源洞以南，与日军展开激战，第37军和第10军李玉堂部与日军第4、第3师团于神鼎山、密岩山、班召庙一带激战，第2军与日军第6、第40师团各一部激战于瓮江、蒲塘地区。
24日，第37军阵地被日军突破，第37军被迫向安沙地区撤退。日军第4、第3、第6各师团，跟踪第37军向栗桥、福临铺、金井进迫，并攻击第10军阵地。
前来增援的第10军24日晨，遭日军攻击，苦战至午。预10师方先觉部阵地在遭受日军猛烈进攻时，全体官兵在师长方先觉的领导下与日军殊死作战，虽然损失惨重，但是仍有效的迟滞了日军对长沙的进犯。然而由于第10军当面的日军达3个师团的优势兵力，25日，第10军阵地多处被突破，第10军所属3个师奉第10军军长李玉堂命撤出了阵地，遂与第37军一起向捞刀河南岸转移。26日，被迫突围转移至石鼓牛及天雷山之线。（事后，因预10师与日军一昼夜的血战，有效破坏了日军进占长沙的企图，受到蒋介石的嘉奖。第10军军长李玉堂则因为擅自撤退受到了撤职的处分。师长方先觉则在部队后撤整训中，要求官兵要在任何艰苦惊险的环境下稳扎稳打，坚定其“我不怕敌，敌必怕我”，“能坚持就是胜利”的信念，这一信念以后成为了预10师乃至第10军的作战理念。）
第26军被日军包围于蒲塘地区，直至25日夜，奉命向更鼓台、石湾方向突围。
25日，薛岳命令第74军以先头部队两个师急速挺进黄花市，在夏家塘、春华山、赤石河、石灰嘴一线阻击南进之敌，保卫长沙城。日军得到破译后的电令，如获至宝，立即改变部署，先占领春华山，以逸待劳主动攻击奔袭过来的第七十四军第57、58师，企图先消灭中国最精锐的第七十四军再进攻长沙。在王耀武军长命令下，第57师拼死夺取春华山，第58师师长张灵甫率领部下变被动挨打为主动进攻，扫清了春华山附近各日军据点。王耀武立即抓住时机，发起总攻。
第57师猛攻正面之日军第3师团，遭到日军疯狂反扑。敌第4师团一部增援攻击57师左翼，57师顽强抵抗，顶住了敌军猛烈攻击，亦伤亡惨重达3000余人。第58师攻击敌第6师团，经激烈战斗后攻进夏家塘、伍家渡一线。27日，敌第3师团主力加入战斗，空军亦配合作战，第58师被分隔包围，陷入苦战。第51师赶到战场，立即向第6师团攻击，整个第七十四军都陷入苦战之中，至27日半夜，第七十四军突出敌围。28日，第74军向普迹以东撤退，撤至浏阳河南岸高地，稍事修整准备再战。本来不需战斗即可占领的阵地，却因电令被破译而苦战，虽然伤亡惨重，但也消灭了敌军相当有生力量，让敌军全歼第七十四军的妙计落空。
9月26日，奉薛岳命令，第27集团军之第4、第20军全部渡过汨水南下，但日军已在汨水南岸击溃了第26、第37、第10、第74军主力，进抵长沙城下。
26日，从江西赶来的第74军王耀武部由万载到达长沙东面的春华山、永安市附近，遭遇日军伏击，先后与日军第3、第6师团及第40师团一部展开激战，又遭日机袭击，损失甚重，被迫向南撤退。
薛岳命令从广东增援来的暂编第二军暂编第8师占领长沙东郊杨家山一带阵地，其第一旅攻击日军受挫，退往打靶场一带。
27日，日军第4师团一部从枫林港、早渊支队从水渡河渡过捞刀河，继而又有一部渡过浏阳河。奉命由湘西增援的第79军第98师及由广东增援的暂编第2军暂编第7师，在长沙东郊与渡过浏阳河及捞刀河之日军第4师团和早渊支队发生激战。但不敌日军的猛烈反击，下午，日军早渊支队一部突破98师防线自长沙城的东北角冲入长沙城。
28日，第79军暂编第6师到达岳麓山，29日渡过湘江与日军早渊支队开战，30日攻入市区构筑阵地。日军第4师团主力渡过浏阳河。
29日，日军第4师团主力开进长沙，这是长沙自开战以来第一次沦陷，消息一经传出，举国震惊。第3、第6师团在永安市附近击退第74军后，向株洲方向突进，其一部冲入株洲。
30日，第4师团主力抵东郊金盆岭一带，第3师团突破第8师防线，并占领株州，第6师团集结于镇头市附近，第40师团集结于狮形山附近，荒木支队集结于沙市街附近，平野支队在庐林潭附近，江腾支队在关王桥附近。至此，日军基本占领长沙，似乎计划中的每一个步骤都被精确的执行，可惜的是他们发现湖南民众对外地“客人”非常“热情”，生怕日军走得太快，行李太多，就疯狂破坏所有的交通线路，让“客人们”慢慢走，行李带少一点儿。以致于日军后勤不济，现时的补给根本无法维持一场大战。
中国第9战区已于27日奉最高统帅部电会，“其势已疲，其兵站线亦不易推进”，是切断其退路，歼灭日军的良机。要求薛岳不管长沙如何，英勇截击敌后路，力求全歼。薛岳开始从各方调集增援部队陆续赶至战场投入战斗，将日军包围于捞刀河、浏阳河之间。与此同时，第3、第5、第6战区部队分别向当面之日军发动了攻势。
长沙被围之日军与后方联络线已被彻底切断，靠空投获取的补给根本是杯水车薪，无济于事。遂于10月1日傍晚向北撤退。
2日，国民政府军事委员会命令第9战区部队追击；第79军向长乐街、新市方向跟踪追击，第58军、第72军向关王桥、杨林街，方向追击；第4、第20、第99军主力在马鞍铺、青山市、金井一带截击日军；第26、第74军和暂编第2军清扫浏阳河、捞刀河间战场。5日，中国截击部队在汨罗江以南地区与日军展开激战，迫使其北渡汨水向新墙河以北退却。6日，追击部队渡过汨罗江；8日，越新墙河，继续向日军攻击。当时中国各部队实际上已经从四面八方形成对撤退中的日军包围态势，日军完全是在苦战之中艰难北撤的，伤亡极惨重。原定5天内撤过新墙河，实际多用了4天，至9日才撤过新墙河。11日，中**队恢复了原阵地，与日军对峙于新墙河，会战结束。
此次长沙会战，中**队虽然失败，但我军将士浴血奋战，致使日军伤亡惨重，伤亡达16200余人，尽管攻入长沙、株州也不敢久留，更不敢扩大战果。而国民政府为援助第九战区的失利状态，命令第三、第六、第五战区分别向各处日军发动攻击，特别是第六战区进攻宜昌，孤守宜昌的第13师团已经抵挡不住，师团司令部除留酒田大尉之外，以内山英太郎为首的全体军官都准备剖腹自杀。阿南司令官只得于10月1日命令第11军主力撤出湘北驰援，而陈诚却未能攻下宜昌，也未能阻援由荆门开来的第39师团，宜昌之战未竟全功。
11月23日阿南中将在南京参加军级司令官会议时，听到“长沙作战，反而给予敌人以反宣传的材料，很为不利”的批评性结论，不得不提出长篇申诉，自称令中**队损失近二十万，基本达到了战略目标。
英国《泰晤士报》社论评述说：“日军此次在长沙的败仗，是日本作战以来最无效的一次策动；日方事后所发表的谈话，较之过去尤为滑稽与矛盾”，“日军抄袭华军的钳形战术，结果为华军的钳形战术所击破；日军自称军力雄厚，但无论向何方推进，均被华军截断联络，时时都有弹尽粮绝的危险，因此不能不早日从长沙撤退了。”可以从中读出日军撤退的本质就是供应线问题，如果没有安全稳定的后勤补给，除非日军指挥官头脑不清醒，不然的话应该是不敢再进湖南了。
第二次长沙会战中，日军没有使用第一次长沙会战时采用的正面进攻、两侧包抄的战法，而是利用协调良好的步、炮、空中兵力，以点突破正面防线后进而渗透，对中**队分割包围，各个击破。当战况不利归迅速后撤，进退有度，可见其战前训练精良。再看中**队，装备及训练均不及日军，消耗日军兵力所凭借的法宝仅仅是坚定的战斗意志和湖南人民破坏敌军补给线的勇气。更别说中**队编组庞杂，权责不明，战机到时常常无法掌握：攻击时支援火力不足，逐次投入兵力，为敌军逐个击退，造成大量死伤却劳而无功，敌军撤退时亦不能掌握机会追击，趁机予其重大杀伤。
尽管不如人意之处太多，经过重庆当局的优化宣传，国内民众还是很高兴，重庆等地民众连夜狂欢，举行火炬游行，因为“这是两年来中**队击败日人的最大的一次胜利”。包括郑文明在内的大部份湖南人则在为长沙曾陷落于日军而伤感，在湖南人的心中，长沙陷落是湖南人的奇耻大辱，更不提被数万中**人鲜血染红的长沙水，这所有的一切都为后来日军再犯湖南时所遭遇的难忘回忆埋下伏笔。
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