太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)后， 日軍為牽制中國軍隊南下增援英軍在港九及緬北的防御，決定實施南方作戰(zhàn)。12月15日，日軍第十一軍司令官阿南惟畿向中國派遣軍總部正式上報了會攻長沙的作戰(zhàn)計劃。根據(jù)這個計劃，第十一軍立即電令各師團進入攻擊位置：第六師團在新墻河北岸下游地區(qū)集結(jié)完畢；第四十師團在新墻河上游集結(jié)完畢；第三師團由火車運往湖北。阿南惟畿打算以三個主力師團并列第一線發(fā)起總攻，仍然采用快速奇襲的戰(zhàn)術(shù)給第九戰(zhàn)區(qū)以沉重打擊。
國民政府軍委會和戰(zhàn)區(qū)長官部對日軍的上述舉動非常注意。根據(jù)武漢等地區(qū)日軍的移動等情況，軍委會判斷日軍已開始行動了。為此，軍委會電令第六戰(zhàn)區(qū)第七十三軍由澧縣立即開向?qū)庎l(xiāng)、益陽集結(jié)待命；軍委會直轄的第七十九軍由衡陽立即鐵運淥口、株洲集結(jié)，歸第九戰(zhàn)區(qū)指揮；第四軍由廣東曲江鐵運株洲淥口集結(jié)；第七十四軍由廣西宜山調(diào)駐衡陽，增援第九戰(zhàn)區(qū)；另給第九戰(zhàn)區(qū)調(diào)撥一個裝甲車營，由廣西開往湖南。20日晚，薛岳向各部下達戰(zhàn)斗命令：(一)戰(zhàn)區(qū)副長官兼第十九集團軍總司令羅卓英率指揮所于21日早晨由上高進駐瀏陽，指揮第二十六軍、第七十九軍和第一九四師準備作戰(zhàn)；(二)副長官兼第三十集團軍總司令王陵基率戰(zhàn)斗指揮所于21日早晨由修水進駐平江，指揮第七十八軍和新十五師，準備作戰(zhàn)；(三)副長官兼第二十七集團軍總司令楊森指揮第五十八軍、第二十軍在新墻河一帶作戰(zhàn)；(四)第十軍、第三十七軍、第九十九軍由戰(zhàn)區(qū)直接指揮；(五)第十九集團軍贛北方面警備，由羅卓英分令高蔭槐、劉膺古兩副總司令負責(zé)指揮；第三十集團軍警備，由第七十二軍軍長率第三十四師負責(zé)。
1941年12月18日，集結(jié)在新墻河北岸的日軍開始攻擊。日軍第六師團、第四十師團以小股部隊進攻守軍前哨陣地，一方面掩護主力集結(jié)，一方面對前沿陣地進行偵察。第四十師團在新墻河上游油港以北向第二十軍第一三四師陣地攻擊；第六師團向第二十軍第一三三師陣地進攻。
面對日軍的進攻，薛岳給第二十軍軍長楊漢域下達的命令是要他們在此堅守十天以后再轉(zhuǎn)移陣地。楊只好令一三三師和一三四師師長加強防備，盡力死守。
23日早晨5點，日軍第四十師團在第一三四師陣地對岸分三處渡河，重點指向第四○○團。戰(zhàn)至天黑，日軍未能攻破陣地。24日晨，日軍繼續(xù)增援，下午3時，守軍撤至第二線陣地繼續(xù)抵抗。針對第一線陣地失守，楊森急令第五十八軍第十一師到楊林街附近，協(xié)助第二十軍作戰(zhàn)。是日傍晚，日軍第六師團開始渡河向第一三三師陣地進攻，到午夜12時，新墻河南岸第一線據(jù)點陣地，全部為日軍占領(lǐng)。
25日，日軍以東、中、西三路齊頭并進，向南步步進逼，守軍則節(jié)節(jié)撤退。東路日軍是第四十師團，進攻第一三四師第二線陣地；中路日軍是第六師團第二十三、四十五兩個聯(lián)隊向第一三三師第三九八團據(jù)點陣地進攻；西路日軍為第六師團第十三聯(lián)隊，由粵漢鐵路兩側(cè)南進，與第一三三師第三九九團各據(jù)點守軍發(fā)生戰(zhàn)斗。為使第二十軍能支持更長時間，楊森命令第五十八軍向第一三四師方面日軍攻擊。晚上，第二十軍全線與敵激戰(zhàn)，各重要據(jù)點電話先后中斷。軍長楊漢域根據(jù)第一三三師、第一三四師傷亡較重的情況，命令他們按計劃實行逐步抵抗，向預(yù)定梅仙、平江地區(qū)以東撤退。
26日拂曉，日軍跟蹤追擊，向第二十軍最后一線陣地壓迫過來。同時，日軍第三師團也已渡過新墻河，與西路日軍第六師團一起沿粵漢路南下，向汨羅江突進。楊森見第二十軍遭敵圍攻，命令第五十八軍孫渡率兩師夾擊圍攻第二十軍之敵。
27日，楊森接到薛岳命令，第二十軍向梅仙、平江以東地區(qū)轉(zhuǎn)移，準備向側(cè)后攻擊；第五十八軍實行逐步抵抗，次第向東南方斜線移動，撤到汨羅江南岸右翼山地，側(cè)擊日軍。
12月27日， 日軍第六師團先頭部隊開始向汨羅江北第九十五師警戒陣地進攻。下午，第四十師團先頭部隊亦向第六十師第一七九團警戒陣地進攻。28日凌晨4時，第四十師團發(fā)起攻擊，第六十師守備長樂街的一個排全部戰(zhàn)死，長樂街失守。第六師團向第九十五師方面強渡被擊退。29日，日軍利用長樂街架設(shè)浮橋，紛紛搶渡，到當天晚上，日軍兩個師團全部渡過汨羅江。
日軍第三師團也于28日在第九十九軍陣地前渡過汨羅江，并于29日開始向東旋轉(zhuǎn)，威脅第三十七軍第一線部隊左側(cè)。當晚，阿南惟畿得到航空隊的偵察報告：“中國軍隊正向長沙方面退卻?！庇谑菙嗳桓淖冊▏サ谌哕姷挠媱澏蜷L沙追擊。
30日，日軍前線部隊得到進攻長沙的命令后，對第三十七軍的攻勢更加猛烈，雙方經(jīng)過反復(fù)爭奪，到中午時分仍處于相持狀態(tài)。下午， 日軍第六師團以一部繼續(xù)圍攻，主力則從第九十五師據(jù)點陣地之間的空隙中通過，向南前進。日軍東路第四十師團也突破了第六十師陣地。軍長陳沛見日軍主力已經(jīng)南下，命令第九十五、第六十師向汨羅江以南、撈刀河以北的東面山地撤退，轉(zhuǎn)成側(cè)擊態(tài)勢，并企圖將日軍大部吸引到東面山地，使戰(zhàn)區(qū)獲得充裕時間，以待決戰(zhàn)兵團到來。
進攻第九十九軍的是西路日軍第三師團。該師團渡過汨羅江后，受到第九十九軍各師的頑強阻擊。經(jīng)過29日一天的戰(zhàn)斗，日軍第三師團的進展都不大。30日夜。第九十九軍向西撤退到汨羅江以南撈刀河以北粵漢鐵路右側(cè)山地隱蔽起來，與第三十七軍形成東西兩面夾攻的側(cè)擊態(tài)勢。
12月31日，日軍主力已分別到達長沙外圍附近。第四十師團到達長沙以東的永安市，第六師團到達東郊附近的?黎市，第三師團到達東南郊附近的東山，準備對長沙進行東、北、南三面包圍。第九混成旅團、外園支隊、澤支隊、野口支隊分別到達汨羅江以北地區(qū)，向南繼續(xù)前進。
針對日軍的快速南下，第九戰(zhàn)區(qū)統(tǒng)屬各軍也已于12月30日分別到達指定地點，待命出擊。此時，軍委會提醒戰(zhàn)區(qū)長官部：“在長沙附近決戰(zhàn)時，為防敵以一部向長沙牽制，先以主力強迫我第二線兵團決戰(zhàn)，然后圍攻長沙，我應(yīng)以第二線兵團位置于戰(zhàn)場較遠地區(qū)，保持外線有利態(tài)勢，以確保機動之自由，使敵先攻長沙，乘其攻擊頓挫，舉各方全力一齊向敵圍攻，以主動地位把握戰(zhàn)機?！雹俑鶕?jù)軍委會的提醒和原定決戰(zhàn)計劃，薛岳于當晚7時向戰(zhàn)區(qū)各部發(fā)出決戰(zhàn)命令，特命令第十軍、第七十三軍(共五個師)固守長沙，第十九集團軍(指揮第四、第七十九、第二十六軍共九個師)、第三十集團軍(指揮第三十七、第七十八軍共五個師)、第二十七集團軍(指揮第二十、第五十八軍共五個師)、第九十九軍主力(兩個師)分別由株洲(第四、第七十九軍)、瀏陽(第二十六軍)、更鼓臺(第七十八軍)、甕江(第三十七軍)、清江口 (第二十、第五十八軍)、三姐橋(第九十九軍)各地附近，以長沙為目標，從南、東、北三方面行“求心”攻勢。第一次攻擊到達線為橋頭驛—安沙—春華山—蓮塘—楓樹河—白田鋪—大托鋪一線；第二次攻擊到達線為撈刀市—傅家沖—長橋—?黎市—東山—金盆嶺一線。
31日，鑒于日軍主力已到達長沙附近外圍，薛岳向各集團軍下達了總攻命令：各部隊從1942年元月1日子夜開始攻擊，限元月4日夜晚到達第一次攻擊到達線。
為了有效地將日軍膠著在長沙方面，中國第九戰(zhàn)區(qū)長官部對長沙的防守很重視。首先是讓第十軍接替暫二軍的長沙防務(wù)，并將在長沙的炮兵和工兵全部撥給第十軍軍長李玉堂指揮；同時多次督促李玉堂切實加強長沙的防御工事。
1942年元月1日凌晨4時， 日軍第三師團步騎三千余人，乘霧氣濛濛之際渡過瀏陽河，分三路向長沙東南外圍第一線陣地進攻。6時30分，日軍先頭部隊首先攻擊預(yù)十師阿彌嶺陣地，被打退。上午11時，增援日軍在飛機炮火掩護下再次進攻，經(jīng)兩小時激戰(zhàn)未遂。下午4時， 日軍第三次攻擊奏效，阿彌嶺據(jù)點陷落，預(yù)十師轉(zhuǎn)移到第一線陣地左側(cè)繼續(xù)抵抗。下午5時，日軍再以炮空掩護向預(yù)十師左側(cè)陣地左家塘猛撲，第二十九團曹建業(yè)營全部陣亡，左家塘又被突破。下午6時， 日軍從預(yù)十師與第一九○師結(jié)合部穿過，繞到預(yù)十師左側(cè)后陣地。方先覺見狀，將第一線陣地縮短，放棄左側(cè)，轉(zhuǎn)而據(jù)守金盆嶺、黃土嶺一線。晚9時，日軍一部鉆隙突入第三師警戒陣地白沙嶺民房內(nèi)，企圖奪取天心閣制高點。李玉堂根據(jù)第一線外圍據(jù)點丟失情況，命令第一九○師派兵克復(fù)左家塘據(jù)點，另派一部圍攻白沙嶺民房之敵。晚10時，左家塘重新奪回，但白沙嶺民房內(nèi)的日軍則利用民房進行頑抗。
1月2日凌晨，日軍一部又將左家塘包圍，經(jīng)過反復(fù)幾次爭奪，到5時左家塘仍為守軍掌握。9時，日軍向金盆嶺、黃土嶺猛攻。至11時，守備金盆嶺陣地的第二十九團第二營聯(lián)絡(luò)中斷，方先覺立即命令集中全師迫擊炮，向第二營陣地行殲滅性射擊，第二營殘余官兵與日軍一起被炮火埋葬。下午1時，日軍被迫向東退去。與此同時，在白沙嶺民房內(nèi)頑抗的日軍，被守軍用火攻，全部燒死。
1月3日0時，日軍第六師團主力加入戰(zhàn)斗，開始向長沙北面第一九○師陣地進攻。天亮前，第五七○團陣地陳家山據(jù)點反復(fù)爭奪三次。天亮后，九架日機參戰(zhàn)，陳家山陣地一片火海。第五七○團撤出據(jù)點后，在清水塘屋頂上架設(shè)輕重機槍，向日軍實行壓制射擊， 日軍再次退出陳家山據(jù)點。
日軍第六師團師團長神田正種見北面不易攻入城，將重點轉(zhuǎn)向城東面第三師陣地瀏陽門、小吳門等地，經(jīng)幾次沖擊，也未成功。于是神田正種再將主力轉(zhuǎn)向城北湘雅醫(yī)院附近，城北方面情況開始趨向緊張。此時，城南方面日軍第三師團主力正在猛攻預(yù)十師第二線陣地修械所、紅石嘴等據(jù)點，方先覺以工兵營、特務(wù)營與第三十團一起投入戰(zhàn)斗，將日軍擊退。日軍增援后沖入修械所，該陣地守軍前仆后繼，與敵沖殺，將其奪回。上午11時，日機十架巡回轟炸，紅石嘴反復(fù)爭奪四次，方先覺用師部騎兵連沖擊才將日軍擊退。中午，日機三架向第三、第六師團空投補給，有一部分落入守軍陣地中。下午， 日第三師團與預(yù)十師處于相持狀態(tài)，各自調(diào)整部署。方先覺因戰(zhàn)斗兵員傷亡重大，便從輜重兵中挑出一部分，給他們配備武器后加入火線戰(zhàn)斗。同時，他再將陣地縮短，準備對付日軍更猛烈的攻擊。晚上，城北方面激戰(zhàn)仍烈，日第六師團以湘雅醫(yī)院等地作為據(jù)點，向湘春街、興漢門附近猛攻，但仍遭到第一九○師的頑強抵抗，無法進展。當天，第七十三軍已到達長沙，除以一部接替第十軍湘江西岸和岳麓山防務(wù)外，第七十七師奉命進入市區(qū)，準備向日軍出擊。
是日傍晚，第四軍、第七十九軍、第七十八軍、第二十六軍、第三十七軍、第二十軍、第五十八軍等已全部到達第一次攻擊到達線。薛岳見圍攻日軍的態(tài)勢已經(jīng)形成，于是通令各部限于1月4日晚進入第二次攻擊到達線。
日軍當天以第六師團主力全部加入戰(zhàn)斗，與第三師團合力攻擊了一整天，屢攻屢挫，無多大進展。此時， 日軍攻擊部隊彈藥將盡，補給線又被第九十九、第二十、第五十八、第三十七、第二軍等部切斷，只能依靠空投維持補給。第九戰(zhàn)區(qū)各個兵團，正向長沙方面繼續(xù)“求心”壓縮，并已逼近長沙。 日軍第十一軍參謀長木下勇在岳陽指揮所，發(fā)現(xiàn)當時態(tài)勢對圍攻長沙的日軍極為不利，便于當天下午5時向阿南惟畿建議：停止攻擊長沙，立即撤退返回。阿南求勝心切，不聽木下勇的勸告。不久，阿南接到第三師團師團長豐島房太郎報告：“自現(xiàn)在起，不久即可獲致戰(zhàn)果?！卑⒛闲判谋对觥Ｈ欢?，這時第九戰(zhàn)區(qū)第四軍、第七十九軍、第二十六軍已超越第一次攻擊到達線，正向第二次攻擊到達線推進。木下勇見第三、第六兩師團攻擊進展緩慢，而處境已經(jīng)極其危險，于是晚上率領(lǐng)副參謀長及全體幕僚，再次向阿南陳述必須撤退的理由。阿南勉強答應(yīng)，并當即擬定撤退部署：第四十師團于4日早晨開始向北攻擊前進，為日軍主力撤退開道；第九旅團、外園支隊于6日南下，迎接主力撤退；第三、第六兩師團于4日晚開始由?黎市附近渡過撈刀河向汨羅江一線退卻。
1月4日凌晨，日軍全線展開瘋狂攻擊，想在退卻之前拿下長沙。城南日軍第三師團集中七千余人向預(yù)十師修械所等地猛攻，經(jīng)守軍頑強反擊， 日軍未能拿下修械所。城北日軍第六師團集中五千余人使用各種方法，猛攻守軍，激戰(zhàn)近一天，還是被迫退去。這時，中國第四軍攻擊部隊已到達長沙南郊，并與預(yù)十師取得了聯(lián)系。日軍在彈盡糧絕、守軍合圍之勢已成的情況下，于是晚四處放火，倉皇撤退。
1月4日下午7時，薛岳對各兵團下達追擊命令：(一)羅卓英指揮第四、第七十三、第二十六軍為南方追擊軍，于5日拂曉開始，由南向北追擊；(二)楊森指揮第二十、第五十八軍為北方堵?lián)糗?，在福臨鋪一線由北向南堵?lián)簦?三)王陵基指揮第三十七軍、第七十八軍為東方截擊軍，在楓林港以北長樂街以南，由東向西截擊；(四)第九十九軍軍長傅仲芳指揮該軍主力為西方截擊軍，在石子鋪以北新市以南，由西向東截擊；(五)第一百四十師為挺進軍，向新墻河附近挺進。②
日軍于4日夜晚開始撤退，第六師團立即搶占瀏陽河渡河要點——?黎市，并以此為據(jù)點收容第三師團散兵，等候并迎接第三師團突圍。第三師團在退出戰(zhàn)斗和開始突圍時，遭到了第四軍的猛烈截擊。經(jīng)過一夜混戰(zhàn)，第三師團傷亡較大；5日拂曉，再遭第七十九軍截擊，艱難地向?黎市退去。5日下午3時，羅卓英才收到薛岳下達的追擊命令，其時追擊開始時間早已過去。5、6兩天，位于?黎、高橋附近的日軍兩個師團，受到第七十九、第二十六軍圍攻，陷入困境。 日軍此時糧少彈缺，官兵疲憊，傷亡又重，其戰(zhàn)斗力已顯著下降。6日晚上，薛岳命令第七十三軍速至福臨鋪地區(qū)截擊日軍，第四軍速向長樂街猛追。
7日，位于影珠山、福臨鋪一線的第二十軍和第五十八軍，在楊森指揮下?lián)斡杀毕蚰隙聯(lián)羧哲姷娜蝿?wù)。當天，蔣介石以電話指揮督戰(zhàn)，他在電話中說：“以福臨鋪東側(cè)的古華山為界，西面由楊森副司令長官負責(zé)，東面由王陵基副長官負責(zé)，督率各軍務(wù)須阻止、切斷敵軍。如敵從某軍正面逃走，即將其軍長槍斃?！睏钌拥绞Y介石的督戰(zhàn)命令后，親自率部參戰(zhàn)。他指揮一部向北阻擊為接應(yīng)日軍主力突圍而南下的第九混成旅團，另以一部堵?lián)粲赡舷虮蓖粐娜哲姷诹鶐焾F。
8日，日軍第三師團退到福臨鋪南側(cè)，與在福臨鋪北側(cè)的第九混成旅團對該地守軍第五十八軍一部進行前后夾擊，經(jīng)過一陣戰(zhàn)斗，陣地被日軍突穿，第三師團乘機向汨羅江退去。 日軍第六師團退到青山市時，遭到第二十軍、第五十八軍的前后攔截，第七十三軍剛好也趕到這里，第四軍和第二十六軍也已到達附近地區(qū)。于是， 日軍第六師團再度被圍。此時， 日軍澤支隊準備前來接應(yīng)第六師團，遭到第九十九軍截擊，無法前進。第六師團在青山市左沖右突了一天，死傷較大，未能跳出包圍圈。
9日，日軍第六師團企圖由影珠山南側(cè)向東突圍，遭到第七十三、第二十、第二十六、第四軍等部的反攻。但是，南下接應(yīng)第六師團的第九混成旅團來到了影珠山下，旅團長池上賢吉決心攻克影珠山，支援神田所部突圍。他挑選精兵二百余人，臨時編成一個“山崎大隊”,在當天凌晨2時，攜帶手槍、戰(zhàn)刀以及輕機槍二十余挺，配合便衣五六十名，向影珠山進行突擊。拂曉前后，山崎大隊沖入東影珠山襲擊第五十八軍及新十師指揮所，占領(lǐng)該山制高點。此時，已經(jīng)北退的日軍第三師團，也以三千余人回過頭來迎接第六師團，到達第二十軍陣前。當時，第二十軍指揮所處于三面受敵的境地，尤其是山崎大隊居高臨下，瞰制第二十軍側(cè)后，威脅很大。軍長楊漢域決定以軍直屬騎兵連、特務(wù)連、工兵連和一三四師一部，向山崎大隊攻擊，戰(zhàn)斗進行到下午4時，山崎大隊被全部消滅，第三師團的進攻被打退。同一天， 日軍第四十師團也遭到第三十七軍的英勇反擊。
10日，圍困第六師團的各部隊繼續(xù)攻擊日軍，并給予日軍較大的殺傷。在日機十余架的再次支援下， 日軍第六師團終于突圍成功。11日和12日兩天，守軍繼續(xù)跟蹤追擊，對日軍仍有一定殺傷。
13日，日軍到達汨羅江一線，并在新市、長樂街等地集結(jié)收容。上午8時，薛岳命令各軍跟蹤猛追。第三十七軍至新市附近，擊退日軍掩護部隊，占領(lǐng)新市。在此集結(jié)的日軍還未來得及渡河，一時爭相渡河北逃，溺死者不少。第七十八軍、第一四○師、暫五十四師在汨羅江以北截擊日軍先頭部隊，對日軍撤退形成阻礙。
14日， 日軍主力借飛機掩護，由汨羅江北岸退向新墻河。14、15日，深入到日軍后方的第一四○師，對北退的日軍進行截擊，打死打傷日軍數(shù)百，毀壞日軍汽車三十余輛，擊落日機一架。16日，新墻河南岸已無日軍。18日，戰(zhàn)區(qū)命令結(jié)束戰(zhàn)斗。
在日軍主力進攻長沙時，其南昌方面的第三十四師團、贛北的第十四獨立混成旅團，各以一部自12月25日由安義和箬溪各地附近進行牽制攻擊，曾一度攻占高安、武寧，后經(jīng)第十九集團軍、第三十集團軍各一部攻擊，分別于1942年1月3日和6日恢復(fù)原陣地。在武寧、陽新、通山、崇陽、蒲圻一帶，是第九戰(zhàn)區(qū)的游擊作戰(zhàn)地區(qū)，主要目標是破壞粵漢鐵路、湘鄂和鄂贛公路。日軍在該地區(qū)鐵路、車站、橋梁、公路等各要點，被迫構(gòu)筑工事，分別把守。每當日軍發(fā)動進攻，從該地區(qū)抽調(diào)兵力時，必須要留置大約三分之一的兵力來守備各個據(jù)點。在這次會戰(zhàn)中，第九戰(zhàn)區(qū)以五個挺進縱隊(約五個步兵師)的兵力，襲擊粵漢鐵路臨湘——咸寧間各據(jù)點并隔斷其交通。自12月28日到1942年1月18日，各挺進縱隊向羊樓司、蒲圻、咸寧等處襲擊，給予日軍以一定的擾亂，遲滯了日軍的行動。
此次會戰(zhàn)， 日軍動用了五個師團十萬余人的兵力，而中國方面參戰(zhàn)人數(shù)約為25萬人。據(jù)日方公布的資料戰(zhàn)死1 462人、負傷4 029人；中國方面公布的資料是：日方死傷5.69萬余人。中國軍隊陣亡11259人，負傷14779人，生死不明2042人③。