元月4日拂晓，日军发起全线进攻，并出动大批空军助战，对长沙发动了最后一次疯狂进攻，但在守军顽强抗击下，始终没能突破黄兴路、八角亭以南核心阵地。此时的日军也已弹尽粮绝，弹药给养仅能依靠空投，丰岛一度下令肉搏，一队队日军赤背袒胸，在冰天雪地中冲上来，我守军则以逸待劳，待敌进入火力网后，机枪、步枪猛射，集束手榴弹乱炸，一排排的敌军倒在了阵地前。这时出现一个传说中才会出现的奇迹，日军空投的给养箱，竟被我军炮弹击毁于半空中，中方士气为之大振，日军士兵沮丧不堪，无心再度发起攻击。
元月4日下午3时，第40师团青木部为救第6师团进抵金井时，被九战区外围部队从东面和西北合拢包围，围在绝地，无力冲出。独立混成第9旅正在到达花门杰、古华山及福临铺以北地区，也被九战区外围部队包围痛击，溃不成军。
元月4日下午6时，第6师团长神田率部无可奈何的撤出阵地，抢占了浏阳河一处渡河要地（长沙以东不远处）。
此时中**队外围部队已对日军形成合围之势，为免遭被第9战区大军围歼，4日晚，阿南仓皇下令撤退。
元月4日夜半后，第10军李玉堂部接到战区长官部传来的通报：“我王陵基、杨森、罗卓英诸兵团已到达指定位置开始行动，敌后路已断，长沙地区的敌人有溃逃模样，敌如溃逃，你军责在守城，无追击任务”。李玉堂明白自已的任务已基本完成，顿感难以形容的轻松。现在可以考虑为活着的部下（相对不多）请功，战伤的部下（很多）求医，战死的部下（太多）求恤了。
薛岳在获知日军退却后,立即命令原准备在长沙附近合围日军的部队改为从不同方向追击日军,决心在汨水以南、捞刀河以北地区将其歼灭。其部署如下:第十九集团军总司令罗卓英指挥三个军为南方追击军,由南向北追击。第二十七集团军总司令杨森指挥二个军为北方堵击军,由北向南堵击。第三十集团军总司令王陵基指挥两个军为东方截击军,由东向西截击。第九十九军军长傅仲芳指挥本军为西方截击军,由西向东截击。“尔后随追击战况之推进,始终按追击、堵击、截击反保围歼灭战之要领围歼溃逃之敌军。”(《第九战区第三次长沙会战战斗详报》,中国第二历史档案馆藏。)
元月5日的太阳照样在长沙升起，不一样的是，曾扬言必于1942年元旦打到长沙过新年的第3师团丰岛部和第6师团神田部从长沙失了，尽管在日本国内还有很多民众为大日本皇军占领长沙的消息兴奋得彻夜难眠（意味着吞并中国指日可待）。当第10军清扫战场时，在一处荒草窝里，抓住一名尚在酣睡的日青年军曹，解送师部审问。从审讯中得知日军连日进攻，连遭挫败，加上弹粮不济，实在无力再战。到此，国民革命军第10军经过四昼夜浴血奋战，完成了“死守长沙，缠住敌寇”的任务。
元月8日，日军第3、6师团退至青山市、福临铺、影珠山地区，又遭第73军、20军、58军、37军的拦截阻击和第4军、26军、78军的追击，陷入合围。阿南命第9独立混成旅团南下解围，却在影珠山与第20军、58军发生激战，被击溃。
同日，各国驻华使节前来参观刻意保持原样的长沙战场。首先到修械所、黄土岭一线绵延起伏的山地参观。只见满山满谷的敌尸，纵横狼藉，有的四肢张开，有的龟缩一团，有的相互堆叠，有的缺腿断臂，种种丑态，不一而足。有一位使官用半生不熟的华语风趣地嘲弄乱七糟八的敌尸说：“你们不会逞凶了吧!”在这天气阴冷、木落草枯、景象荒凉愁惨的战场上，不但炮弹枪弹的碎片随处可见，硝烟味、血腥气味阵阵扑鼻，还散乱地遗下日军官兵曾经珍藏在身的许多家书和女人的照片，随阵阵山风飘飞舞动。政治部代主任杨正华领着参观团再到其他阵地巡视，依然是炮痕累累，敌尸枕藉，还发现不少战马的残骸。最后，方先觉向各使节分赠珍贵的战利品以为纪念，全是日本手枪，每人一支，使节们把玩不已，翘起大拇指说：“保卫长沙，第10军打得漂亮，这是一次很不寻常的胜利，是我们盟国共同的光荣啊!”据此，军委会论功行赏，发布命令：(一)前任命钟彬为第10军军长，收回成命。由预10师师长方先觉升任第10军军长，晋衔陆军中将。(二)着李玉堂调任第27集团军副总司令。此外，我师师部也发表人事命令，鉴于29团团长张越群初战失利之后，并不气馁，愈战愈奋，屡立战功，奉准晋升少将团长。
元月10日早晨，村民陈家武被一群迷路的日军从藏身的地窖中抓了出来。为首的日军军官见他不吭声，以为是被吓坏了，强忍胃痛（饥饿所致），轻言安慰（累得没力气）。然后拿着地图和指北针在陈家武面前摆弄，想弄清如何去青山市（因道路破坏严重，不好作判断）。陈家武当然知道青山市的方向，但他更知道为什么省政府要把可能成为战场的地区居民全部南下疏散，实行坚壁清野。因为守宗祠他一个人留了下来，再因为湖南人的“好客”精神，他决定用一种全世界最独特的礼节尽力让“客人们”留在湖南。当山崎茂大队长愤怒地杀死这个装聋作哑的湖南人时，似乎看见这个人的嘴角隐有一丝笑意。
元月10日下午，大队长山崎茂和1个大队成为了湖南人的常客，全部长眠于青山绿影，成就了湖南人民待客极度“热情”之盛名。
元月11日，第3、6师团陆续突破拦截线，但第40师团在麻石山、麻峰嘴地区遭国民革命军第99军、第37军的攻击，直到12日才退至汩罗江北岸才得以收拢残部。
元月15日，日军退至新墙河原防地。
元月16日，日军第11军指挥所也从岳阳撤回汉口，一切回到开战前。
至此历时33天的第三次长沙会战宣告结束，第9战区公布战绩：日军伤亡56944人（为鼓舞民心士气，习惯性注水。），俘虏139人，缴获步骑枪1138支，轻重机枪115挺，山炮11门，无线电台9部。中**队伤亡29217人。
当日本的南方军，百日内横扫盟国在亚洲所有的据点与要塞后，西方国家才终于明白落后的中国能够独力对抗日本如此之久，委实难能可贵。
战后，西方媒体称：“这是珍珠港占变以来，盟国在亚洲战区唯一的胜利，是自太平洋战争爆发后盟军的第一次重大军事胜利。美国记者福尔门实地采访湘北战场后，在报道中说：“中国第三次长沙大捷，证明了一个原则，那就是中**队的装备，若能与日军相等，他们即可很轻易地击败日军。”美国总统罗斯福宣布，为中华民国政府追加5亿美元军火贷款。
日军事后在对这次会战失败的检讨中说：“重庆军节节败退，我军是完全跳入重庆军事先设置的陷阱而进行作战的”，“作战始终是在极为困难的情况下进行的”，“这次作战，动摇了一部分官兵的必胜信念”。日本防卫厅防卫研究所战史室编纂的战史文献资料，其中有一段关于1941年12月31日夜半至1942年1月4日进攻长沙的记载称：“面对师团伤亡之大，携带弹药殆已耗尽，而我攻击部队、司令部及后方部队，又不断遭到岳麓山之敌炮击，威力极大。因此，司令部参谋、部长等人，认为即使继续战斗，也难攻占长沙，应速返转。……3日夜，军决定返转。并命令各兵团于4日夜间开始返转。”又据该战史室所著《长沙作战》文中载：长沙作战的主战中，日军死1591人（为打击反战情绪，习惯性缩水），伤4412人。三次长沙会战之后，日军为薛岳加封了一个代号——“长沙之虎”。
元月16日，是三次长沙会战的胜利人，也是全体湖南人的节日，为了这个胜利，他们付出了太多太多，多少湘北人为了坚壁清野背井离乡，多少湘中、湘南人民节衣缩食帮助疏散的湘北居民，多少家平民不得不遭受比别处更严重的抽丁（湖南作为主战场的时间最长，兵力损耗极大，事后统计，抗战期间，湖南出兵200万，就人口比例而言冠军全国。）胜利日多少湖南人彻底不眠，多少读书人含泪反复诵读岳飞的《满江红》，多少人为此客串一把骚人，提笔写诗作赋。永宁乡里的乡亲们在1942年过了个寒酸的新年，很多人家都没有用管够的酒招待客人，但没有客人介意主人的不热情，只会对主人家表示理解、尊重，这时候谁都明白是怎么一回事。
（文哲以此节作为第三次长沙会战胜利67周年纪念的贺礼，向那些舍生忘死，以命相搏的中华勇士们致以祟高的敬意！也向那些因作战需要毁路、毁屋、坚壁清野的湘北人民表示敬意！更向为了抗战贡献了200万子弟的湖南人民表示敬意！同时也为身上流着湖南人的血而骄傲！向停止内斗，出省抗日的300余万川军（伤亡140万）将士致敬！向捆着集束手榴弹冲向日军的福建将士致敬！向顽强不屈，以命换命的广西将士致敬！向不顾轻伤、重伤，至死不下阵地的江西将士致敬！也向养育出偕长沙共存亡之方先觉将军的安徽人民致敬！文哲在此向所有把热血撒在三湘大地的中华勇士们磕头：感谢你们为中华民族所做的一切！勇士应得的尊重，历史终会承认，英烈应得的敬仰，国人必将铭记五腑！67年前诸君挺起了中华民族的脊梁，67年后的今天，文哲敬诸位英烈水酒一杯，愿君安心。）
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