第九战区当即向各部队下达如下命令：〔９〕
１． 战区决定以各兵团向长沙外围之敌军，行求心攻击聚歼之。
２． 杨副长官指挥第58军，由长乐街经栗山港、青山市向安沙，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姐桥、安沙，第二次为傅家冲、周婆塘之线。
３． 王副长官指挥第37军（缺第140师）由瓮江经脱甲店、上沙市向望仙桥，第78军由三角塘、更鼓台经金井、春华山向长桥索敌攻击。攻击到达线第一次为春华山、东林市，第二次为大湾港、长桥之线。
４． 罗副长官指挥第26军主力由洞阳市经永安市向梨市，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市、柞山桥、大托铺之线，第二次为梨市、东山、金盆岭之线。
５． 第10军固守长沙及水陆洲，第73军固守岳麓山，俟各兵团到达第二次攻击到达线时，即断行反攻。
６． 第99军（附140师）以第197师固守湘江西岸及洞庭湖南岸原防；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。
开始攻击之时间，另行规定。
为了坚定歼敌决心，打好这场“天炉战”，薛岳在下达作战命令之前首先下达了严格作战纪律的命令，规定“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”；本人“如战死，即以罗副长官（罗卓英）代行职务，按预定之计划围歼敌人；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；各总司令，军、师、团、营、连长倘有作战不力、贻误战机者，即按革命军连坐法议处，决不姑宽”。〔１０〕
12月31日，日军第3师团到达梨市，正准备渡过浏阳河，第6师团进至麻林以南，第40师团亦进至上沙市以南，其先头已接近永安。因日军“已进入预定包围圈中”，第九战区令各集团军于1942年1月1日子夜开始攻击，限1月4日到达第一次攻击到达线。
防守长沙市区的部队为第10军。12月30日，军长李玉堂制定了保卫长沙的作战计划。其兵力部署及任务是：“第3师（附警备司令部所指挥之各武装团队）以主力占领长沙城垣，以１团控置于城东南角，拒止敌人进犯，并以便衣队（约１连）在安沙、沙坪附近预行潜伏，搜索敌情；预10师占领自水陆洲、猴子石、金盆岭、黄土岭、林子冲、左家塘、半边山之线，主力控置于黄土岭附近，拒止敌人进犯，并派便衣队在东山附近预行潜伏，阻止敌人；第190师占领左家塘、杨家山、鞍子山、湖迹渡、复兴市附近、新河正街之线，拒止敌人，并派便衣队（约１连）在枫林港预行潜伏，搜索敌情。”〔１１〕
1942年1月1日8时，日军第3师团于梨市南的磨盘洲附近全部渡过浏阳河，以第18联队和第68联队并列向长沙城东南郊区前进，11时许，向阿弥岭南北之线的预第10师阵地发起进攻。激战到16时，阵地被日军突破，预第10师退守半边山、左家塘一带的既设阵地。18时左右，阵地再被突破，守军第29团第1营伤亡殆尽。日军继续进攻，遭到守军坚强抵抗，被阻于军储库、邬家山阵地前。
此时，日军第11军情报部门破译了薛岳令各集团军向长沙附近集结、准备围歼日军的电报，阿南惟畿急令第3师团加紧进攻，企图在第九战区形成包围以前攻占长沙。第3师团当即将师团直属的第6联队第2大队由第68联队左翼投入战斗。日军增强力量后，于21时攻占军储库、邬家山附近阵地，第2大队大队长加藤素一率一部兵力乘势突入至白沙岭。22时，预第10师在岳麓山重炮兵支援下组织反冲击，收复了军储库、邬家山阵地，并包围了白沙岭日军第2大队。从1日夜至2日凌晨，双方在长沙东门、南门外地区展开激烈争夺战，反复肉搏，阵地多次失而复得，第29团团长陈新善、团附曾友文等阵亡，但终于守住了阵地，击退了疯狂进攻的日军。在第28团英勇攻击下，被围于白沙岭的日军除1名列兵池山至于2日凌晨2时逃走外，加藤素一和其副官桥本光义以下全部被歼，获得日军作战命令、阵中日记等文件甚多，从中得知日军弹药粮秣携行数量甚少、战力不强，以及其进攻计划、各师团位置等重要情况。此时处于外线的各集团军正从三面向长沙推进中。第九战区立即将此敌情通报各部队，并令各集团军按预定计划快速向长沙日军合围。
1月2日，日军第3师团继续组织进攻，将攻击重点由南门方向移向东门，集中炮火，并令工兵第3联队逐次爆破守军的堡垒群，猛攻第190师四方塘、南元宫一线阵地。守军顽强抗击（有些阵地曾多次反复争夺），以手榴弹和刺刀进行白刃格斗，日军的多次进攻被击退。守备南门外修械所高地的预第10师葛先才团（第28团），战至仅剩58人，终于保住了阵地。第30团还以一部兵力秘密机动至南门外侧击日军第68联队，将其第7中队击歼大半，中队长丸山信一以下所有军官全被打死。
经过2天的激烈战斗，日军第3师团伤亡惨重，且因后方交通被切断，补充困难，而携带的弹药又将近用完，所以已无力组织强有力的攻击，将全部兵力投入第一线，亦毫无进展，被迫改为守势作战。
此时，守军第4军已由广东车运到达株洲，第19、第27、第30集团军亦按照计划正向长沙合围中。2日晚，蒋介石致电第10军：“此次长沙会战之成败，全视我第10军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人……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10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。”〔１２〕用以鼓励士气。
阿南惟畿见第3师团攻击顿挫，而第九战区外线兵团正向长沙地区逼近，形势严峻，但仍企图在守军外线兵团到达前攻下长沙，遂于2日夜令在梨市的第6师团从第3师团右翼投入战斗，同时令在金井地区的第40师团迅速进至春华山一带，对东部山区警戒，保障进攻两师团的后方安全。第6师团留第45联队守备梨市及附近渡口，其余连夜进至长沙东北郊。
1月3日拂晓，日军第6师团及第3师团同时发动攻击，第6师团进攻北门至东门间阵地，第3师团进攻东门至南门间阵地。激战终日，日军除第6师团第23联队的第12中队曾一度由城北向西突至湘江岸边外，其余部队全被击退。第3师团第68联队的第2大队在向东瓜山阵地冲击时遭到守军预10师的密集火力和以手榴弹和白刃战进行的反击，在6时30分前后该大队被击退，大队长横田庄三郎以下被打死、打伤百余人。当日晚，薛岳为加强长沙防守和反击力量，令第73军的暂第5师接替第77师荣湾市一带的防务，而令第77师渡过湘江至长沙城内，归李玉堂指挥，为第10军的预备队，控制于南门口附近。
围攻长沙城的日军第11军部队粮弹将尽，死伤惨重，攻势屡遭顿挫，且处于被中国军队包围状态下，处境危殆。在不得已的情况下，乃于3日夜间决定撤退。其撤退命令的要点如下：〔１３〕
１． 我军将敌军牵制在长沙方面，已达到策应华南我第23军之目的，并且扫荡了长沙市内大部地区。
大坪、青木飞行战队，密切地配合了本次作战。
２． 我军自今停止扫荡长沙，于1月4日夜开始反转，应击溃残敌，先向汨水一线前进。
３． 军主力应于梨市附近渡浏阳河，在其北岸等待集结，经过下列路线撤退：
第31师团：麻林市—福临铺—伍公市（新市东6公里）道路。
第6师团：麻林市—栗桥（福村铺西8公里）—新市道路。
作战地界如下（线上及其西方属于第6师团）：
梨市—牌楼铺—平鹿嘴（枫林港东侧）—黄土坎（麻林市西侧）。
第3、第6师团的反转开始时间为4日日落后。
４． 第40师团以一部留在金井附近，以掩护军的侧背，主力即时开始行动，向春华山前进，击溃其所在之敌，以利于军主力反转。
５． 独立混成第9旅团向麻林市前进，以利于军主力反转。
６． 外园支队到达岳州后，应迅速向界头市附近前进，击溃从西方干扰军主力反转之敌。
1月4日，日军在撤退之前又对长沙进行了一次猛烈攻击，用以隐蔽其撤退企图。但所有的进攻，均被守军击退。第3师团及第6师团于当晚乘夜暗脱离战场，由长沙市郊分别向东山、梨市撤退。至此，长沙地区战斗结束，会战转入追击战斗阶段。
（四） 追 击 战 斗
在长沙外围日军撤退的前1日（1月3日），军事委员会曾向第九战区下达训令，要求加速围击行动，特别强调要切断日军的退路。训令说：
“１． 该战区应速严令各部向长沙附近敌人围击，务确实截断敌人退路，包围捕捉敌人于战场内而歼灭之。
“２． 应速以一部先期击破汨罗江敌人，占领各渡口。并即令孔荷宠部（暂54师）配合游击队，迅速向武昌挺进袭击。
“３． 如敌突围北窜，应以第73军由长沙下游渡江，另以一部由金井附近分向汨罗江北岸超越追击，封锁汨罗江各渡口，阻止敌人退却。主力向敌跟踪猛烈追击，同时以有力一部向岳阳挺进，乘虚袭取之。
“４． 向敌追击时，第10军仍应守备长沙。”〔１４〕
4日晚，第九战区获知日军撤退后，立即命令原准备在长沙附近合围日军的各部队改变任务，转为由不同方向堵击和追击撤退的日军，以期“在汨罗江以南、捞刀河以北地区”“彻底歼灭败逃之敌”。其部署为：“１． 罗副长官为追击军总司令，指挥第26、第4、第73军于微日（5日）拂晓前开始，以第26军由牌楼铺、东屯渡经枫林港、麻林桥、梁家桥（福临铺东北8里）、麻峰嘴、栗山巷、长乐街道，向长乐街、伍公市追歼败逃之敌。第4军由阿弥街、左家塘，经东屯渡、石灰嘴、青山市、福临铺、李家坡、双江口道，向新市、兰市河追歼败逃之敌。第73军由长沙经石子铺、马鞍铺、新桥、栗桥、马山神、武昌庙、骆公桥道，向骆公桥、归义追歼败逃之敌。２． 杨副长官为堵击军总司令，指挥第20军、第58军在象鼻桥（含）、福临铺、栗桥（含）自北向南堵击北溃之敌，不得任敌由长乐街、骆公桥间窜过汨罗江北窜。３． 王副长官为东方截击军总司令，指挥第37军、第78军在枫林港以北、长乐以南地区，自东向西截击北溃之敌。４． 第99军军长傅仲芳为西方截击军总司令官，指挥第99军及第140师，在石子铺以北、新市以南地区，自西向东截击北溃之敌。第197师固守原防