几乎同时，鄂南、赣北的日军配合第一○一师团、第一○六师团的进攻，积极向当面的守军攻击，造成全面开花，达到迷惑中国军队的目的。
9月15日，日军第一○一师团从司公山至大路王一线，疯狂向守军第三十二军、第五十八军攻击；第一○六师团在桥下向守军攻击，第一次长沙会战首先在赣北打响了。
双方开始接触，不停地打炮。炮击以后，日军以联队为单位发起冲锋，中国军队利用断墙、壕沟进行阻击。子弹打光了，便与敌人个顶个地拼刺刀。由于中国军队刺杀功夫差一点，上去两批拼刺刀的士兵都阵亡了。战至16日晚，守军第五十八军、第三十二军退守若头岭、缺夫岭。会埠方向中国守军打得艰苦，因力量单薄，与阵地共阵亡，日军占领了罗坊。
冈村宁次同薛岳的情绪如同跷跷板，初战冈村宁次先发制人，占了上风，一直冰封的脸上露出了笑容。此时失败的薛岳一脸忧愁。他急令第一八三师由靖安以北南下，夹击罗坊之敌，命令第七十四军由分宜向上高推进，阻击第一○六师团西进。
17、18日的战斗十分惨烈，敌人的炮弹铺天盖地，落在守军第六十军的阵地上。炮击过后，第一○六师团几乎倾巢而出，扑向第六十军阵地。第六十军禁不住如巨浪般的冲击，整个军被打得七零八落，出现了军长找不到师长，师长找不到团长，士兵找不到长官的混乱场面。接着，第五十八军阵地也被突破。日军一个师团编制相当于中国军队一个师的编制，由于武器装备和官兵训练质量的不同，中国军队两个军六个师顶不住日军一个师团。17日这天，薛岳心急如焚，头上大汗淋漓，手心也湿漉漉的。总体的败势已定，不服输也得服。他决定调整战术。23时，他下令放弃富安，全线后退。第四十九军、预备第九师守备锦江右岸原阵地，第一○五师退至雷公岭、牛毛岭；第三十二军退至锦江右岸；第七十四军退至泗溪、官桥、棠浦一线；第一集团军自行交替掩护，后退至宜丰。
全线后退后，薛岳召开作战会议，向各师的长官打招呼，强调后退不是为了再后退，而是为了站稳脚跟，继续前进。并说，要发挥人多的优势，采取轮番作战。他要求各师做好反击准备，请他们为每个官兵带足干粮和子弹。接着又向各师下达了战斗任务。
会议结束后，各师的师长们迅速赶回部队。
19日晚，薛岳下令反击，当晚全线出击。日军占领高安及锦江北岸，以为中国军队伤亡过大，无力再战，放松了警惕，当晚召开篝火晚会，为庆祝胜利弹冠相庆。正当他们欢呼雀跃之时，中国守军杀了过来，日军措手不及，仓促应战。战至22日拂晓，中国军队收复了高安，向马形山、斜桥推进，高安日军被肃清。中国军队在鄂南、赣北的反击也同时获得成功，收复了原来日军占领的地区。
日军虽然装备良好，但数量有限，尤其是兵力补充受限，人员伤亡后越战越少。薛岳分析敌我情况，决定乘胜前进。他指挥第十五集团军在汨罗江南岸运用诱敌深入战术，打了一个漂亮的歼灭战，一次就消灭敌人2000余人。
这一下，忧愁的跷跷板重心倒向了冈村宁次。他苦着脸思考着对付中国军队的良策，越想越觉得拖下去凶多吉少，伤亡会更大。原因是他认为自己此次出征作战，碰到的是一个硬钉子，这个对手不好对付。因此，他决定撤退。10月5日，全线撤退的命令下达后，日军慌张后退。这一切，被手持望远镜的薛岳看得清清楚楚。他立即下达了全线追击的命令，首先采用大炮袭击撤退的日军。一阵阵撕破天宇的炮击，给日军致命的打击。日军后尾的部队被打得死伤大片，幸存的东逃西散，一片狼藉。中国军队奋勇直追，越战越勇，他们扫荡了长寿街、龙门厂一带残敌后，又攻占了平江县城，还渡过湘江，攻克了夏营田、湘阴、新墙、杨林街、荣家湾等地。10月9日，薛岳这才鸣锣收兵，停止追击。
第一次长沙会战，以日军的失败而落下了帷幕。
伯陵防线（1）
由于日军内部出现人事变动及兵力上的不足，第二次长沙会战与第一次长沙会战的时间，相隔了两年之久。
日军在进攻南昌时，冈村宁次没有采纳大本营参谋总长闲院宫载仁的意见，一意孤行地使用第一○一师团和第一○六师团，令闲院宫载仁大为不快，对他耿耿于怀。此次长沙失利，旧仇新恨令他一怒之下下令将冈村宁次调回了日本，担任军事参议官。军事参议官是日军
高级职务中咨询和顾问性质的职务，位尊而无权，俗话说，是个闲差。
闲院宫载仁派青木担任第十一军副参谋长，本来是要他监督冈村宁次的行动的，结果青木到任后，不但没能达到他的要求，反而倒向冈村宁次，时常在同僚们中间散布对闲院宫载仁的不满情绪。隔墙有耳，这些都一一传到了闲院宫载仁的耳中，此次长沙失利，他乘机撤了青木的职务。
新任第十一军司令官阿南和副参谋长木下勇，接任后必须有个熟悉情况的过程。
这一年，日本国内发生了罕见的旱灾，粮食普遍歉收，有的地区颗粒无收，政府不得不花钱从国外购进大批粮食。由于农业歉收，产生了一系列的副影响，工业和商业同时受累，电力不足，煤矿倒闭，通货膨胀加剧。军工生产难以维持，坦克、大炮几乎停止生产。战场上缴获的装备由于口径不一，一般不好使用。此时，日本与美国的矛盾加剧，《美日通商条约》废除，进口数量骤减，使日本原本萧条的经济雪上加霜。因此，日本政府提出削减军队，减少军费开支。大多数的军人听到这个消息，提出反对意见，政府与军人之间的僵持局面一时难以打破。
令日军更为头痛的是八路军和新四军在敌后大发展，他们频频出击，弄得日军在华北、华中无法招架，不得不采取分割、封锁和“扫荡”等手段，轮番对各抗日根据地进行“肃清作战”，企图实现由“点”、“线”占领，扩大到“面”的占领。八路军针对敌人的战术，以三个师的主力挺进冀鲁平原，挫败日军对冀中、冀鲁和鲁西北等地区的大“扫荡”，巩固与扩大了抗日根据地。新四军在华中连续举行棋盘岭战斗、马家园战斗、袭击官陡门、芦家庙战斗、东湾战斗、狸头桥战斗、谢家垄战斗、夜袭虹桥机场等一系列著名战斗，华北、华中大批日军被牵制，使日军无法从华北、华中抽调兵力增援湘北。因此，湘北前线的日军面临诸多矛盾，只得由进攻转为防御，等待时机复苏。
蒋介石很珍惜这一短暂的停战机会，在中国共产党的协助下，在南岳举办了游击干部训练班，提高官兵军政素质。中共中央派叶剑英带领一部分干部和工作人员，参加了训练班的教学工作，训练班主任由蒋介石兼任，白崇禧、陈诚兼副主任，汤恩伯任教育长，叶剑英任副教育长。训练班的成员来自各战区营以上的军官和高级司令部的参谋人员，他们毕业后回原部队再举办训练班，层层办，一直训练到连、排长，目的是使训练的军官学会游击战争。汤恩伯是第三十一集团军司令官，他对教育长一职不感兴趣，很少管事，教学工作落在叶剑英身上，他几乎每天都有课，重点讲人民战争大纲及游击战争概论。每次两小时上课中，学员们听得入神，常常提出延长时间。下课后，学员们将他讲的每一句话都仔细认真地回味，深深地印在脑中。学员们十分钦佩叶剑英的才华，议论他才智过人，是游击战的专家。游击训练班共培养了3500名学员，他们结业后，如春天的种子，撒向三湘四水，播向长江两岸及鄱阳湖边，为后来发生的长沙会战胜利打下了基础。
1941年9月，日军第十一军阿南认为，经过两年的调整和准备，进攻长沙的条件业已成熟。便同木下参谋长及岛村作战室主任筹划后，确定了攻势计划，并将计划定名为“加号作战”。计划从9月18日展开攻势，击溃新墙河、汨水之间中国军队，同时做好由长乐附近向汨水下游一线推进的准备。汨水右岸地区得手后，再向汨水左岸推进，重点歼灭这里的守军第四军及第九十九军。汨水左岸得手后再向栗桥突击，围歼栗桥以西至湘江的第九战区主力。
阿南一直在大本营机关工作，来到前线对能否打胜这一仗，心里一直没底，他想在计划方案上报大本营没有回复前，先让少量部队出征练练兵，目的是试探一下中国军队在大云山方向的兵力部署情况。9月7日，他就指挥第六师团出击湘赣边界的大云山。
大云山属幕阜山脉，横亘于湘鄂边、平江以北。
薛岳对大云山的情况十分敏感，这里是湘鄂交界，长沙的门槛，是敌人必争之地。在考虑部署时，他决定将第四军摆在这个极端重要的位置。那天，他捏着自己下巴下那刺猬样的胡子，严肃而充满希望地对军长欧震说：“好钢要用在刀刃上，你们四军自北伐以来，一直是国军的一把钢刀，是一支信得过的部队，我这次将他们安排在大云山，你是知道我的用意的，希望你们发扬铁军精神，拼死也要守住大云山，要做到寸土不让。”
欧震激动地攥着拳头说：“薛长官，你就放心吧！我也不会说什么漂亮话，你只管看我的行动吧！”
“好！”薛岳一手握住他的手，一手用力地拍了拍他的肩，“大云山防务我就拜托你了！”
大云山既是第九战区的主阵地，又是第九战区的前哨阵地，薛岳将看守长沙东大门的任务交给了欧震，欧震知道自己身上的担子有多重。欧震指挥各师在横溪达至羊楼司，以及北港至通城一线构筑了坚固的防御工事。第四军有25名军官参加了南岳济南干部训练班，训练一结束，他们就回到了第四军，将刚学到的游击战知识运用到了这次作战中。他们首先深入到老百姓家中，宣传游击战思想，把民众也发动起来，军民携手共同抵抗敌人。
伯陵防线（2）
7日上午9时许，敌人同以往一样，以飞机、坦克、大炮和步兵为一体，由桃林出发，从东、西、北三面，围攻大云山。他们先用18架飞机将守军辛辛苦苦构筑的工事炸了个底朝天，然后是步兵紧跟着坦克，向守军阵地冲锋。第四军的官兵们伏在被炸毁的工事泥土里，眼睛一眨不眨地盯着敌人的动向。当敌人的步兵冲到他们的面前时，他们如下山的猛虎，从泥土里一跃而起，来不及抖掉身上的泥土，就端着枪冲向敌阵。双方胶着一上午，战至中午，第四军将敌人推了回去。下午3时许，日军派出35架飞机，再次轮番轰炸守军阵地，然后派出
三个联队近万名步兵，从东、西、北三面再次蜂拥而至。双方在鸡婆岭、草鞋岭反复拼杀四个回合，仍不分胜负。这时，阿南命令荒木支队赶来增援，欧震恐被日军包围，黄昏时分下令后退。敌人不知欧震用意，怕中计而停止追击。
阿南见大云山方圆几十里，且树多林密，第六师团上万名官兵冲了进去，却不见效果，担心被中国军队吃掉，又派出第四十师团前去增援。两个师团会合后，协商战斗方案，决定派出第四十师团的重松支队向沙