在日军的南进作战中，攻占香港是一个重要的环节。为了牵制日军对香港的进攻，蒋介石从第9战区抽调战斗力很强的欧震第4军和王耀武军增援广东和广西，命令第4战区与第7战区向日本广州方面军进袭，又调杜聿明军、甘丽初军和安恩溥军从广西和四川向云南方面移动，随时准备进入缅甸，协助英军作战。
日军大本营命令第11军再次进攻湘南，以牵制中国军队的南援行动。阿南惟畿接受命令后，于1941年底命令部队向长沙方向推进。阿南惟畿宣称，1942年元旦他要在长沙过新年，向全世界宣布，香港已为日军所占，长沙成了他阿南惟畿的领地。
蒋介石高度重视日军动向，来到南岳督战，给薛岳发电报指示兵力部署：“我第二线兵团稍后退配置，占领有利地势，主动把握战机，从各方面攻击敌人。”
薛岳早在一个多月前，就在长沙召集军以上指挥官参加的防卫会议上制定了“天炉战法”，即在诱攻和伏攻地区纵深配备兵力，从四面八方围歼日军，犹如在一个天然的巨炉中熔化铁石。
日军打头阵的是丰岛第3师团，后面依次是神田第6师团、青木第40师团和池之上混成旅团。24日黄昏，日军冒着风雪严寒，强渡新墙河。第9战区杨汉域第20军的133师和134师在这里抵抗日军。战到第二天中午，日军的后续增援部队向杨干的第134师阵地全面发起攻势，集中4000多人向第400团猛攻，激战4个多小时，突破了守军第一线阵地。杨干命令全师撤到第二线阵地，继续抵抗。
第27集团军司令杨森在前方指挥，看到日军发动大规模的全面进攻，便命令孙渡第58军的新编第11师开到杨林街附近，协助杨汉域第20军作战。当天傍晚，日军神田第6师团向正面的第133师阵地发动进攻，强渡新墙河。午夜12点，日军全部占领新墙河南岸的第一线阵地。丰岛第3师团紧随神田第6师团之后，徒步涉过新墙河。
湘北日军的3个师团分为东、西、中三路，齐头并进，步步向南进逼。中路日军第6师团攻势最为凶猛。坚守傅家桥据点的第398团第2营与日军反复争夺阵地，日军久攻不下，用猛烈的炮火攻击。营长王超奎领着剩下的10名战士死守，直到被炮火埋葬在据点里。第3营防守着洪桥据点，副营长吕湘滨和连长戴崇谦中弹阵亡，残部仍然拼死抵抗。中路日军好不容易找到一个空隙向南钻入，遭到第397团的伏击，神田正种只好下令绕道推进。
第二天拂晓，杨汉域第20军在新墙河防线的最后一线阵地继续抗击尾随而来的日军。这时，日军丰岛第3师团与神田第6师团合为一处，沿粤汉铁路线南下，向汨罗江突进。
杨森见日军向纵深前进，第20军有可能遭到围攻，遂命令孙渡第58军的两个师夹击围攻第20军的日军。激战到傍晚，战事延伸到守军野战工事的第三线，阵地失而复得、得而又失，双方形成拉锯战。
28日，杨森接到薛岳下达的后撤命令，要求杨汉域率部向梅仙和平江以东地区转移，准备向日军侧后攻击。命令孙渡第58军实行逐步抵抗，逐渐向东南方斜线移动，撤到汨罗江南岸右翼的山地，从侧面攻击日军。同时，薛岳将陈沛第37军和傅仲芳第99军摆在这里布防，构成战区的第二道防线。两个军以骆公桥为界，陈沛军守备骆公桥以东一线，傅仲芳军守备骆公桥以西的湘阴和营田一线。
当天，神田先头部队首先进攻汨罗江以北的陈沛军第95师警戒阵地。稍后，青木第40师团的先头部队，开始进攻陈沛军第60师的警戒阵地。日军的进攻没有进展，后续部队集结增援，再度发起攻势，直到守备长乐街的一个排全部战死，日军才占领了长乐街。夜晚，日军的两个师团全部渡过了汨罗江，直接威胁陈沛军第一线部队的左侧。
这时，阿南惟畿获悉日本第23军占领了香港，同时得到一份情报：他对面的中国第9战区由于部分兵力南调，长沙守备力量薄弱。阿南看到自己的部队推进顺利，也证实了守军兵力空虚，便认为第11军进攻长沙的时机已经成熟。
12月30日，薛岳得到报告：日军主力分别到达长沙外围，准备从东、北、南三面围攻长沙。日军的第二线兵团，即池之上旅团、外圆支队、元泽支队和野口支队，分别达到汨罗江以北地区，正在继续向南推进。
此时，汨罗江以南的第37军、第99军仍在顽强抗击着当面的日军第40、第6师团及第3师团。薛岳见南犯的日军已全部进入了“炉膛”，这才命令该两军按照原定计划让开中间，撤向两厢，养精蓄锐，待机反攻。入夜后，第37军军长陈沛率部由浯口以南向东面的社港地区后撤；第99军从归义退向湘江沿岸的营田与湘阴一线。而留在敌后的杨森则令所部袭击驻新墙东南长胡镇的日军辎重兵第40联队，联队长森川启宇中佐被击毙，所部伤亡惨重。
此时，蒋介石根据连日来的战场情况已判断出日军有沿粤汉线逐步推进、攻占长沙之企图。他担心第9战区二线部队被迫投入战斗而影响日后的决战，遂给薛岳发了一封电报：“一、敌似有沿铁道线逐步推进攻占长沙之企图。二、该战区在长沙附近决战时，为防敌以一部向长沙牵制，先以主力强迫我第二线兵团决战，然后围攻长沙，我应以第二线兵团距离于战场较远地区，保持外线有利态势，以确保机动之自由，使敌先攻长沙，乘其攻击顿挫，同时集举各方全力，一举向敌围击，以主动地位把握为要。”
蒋介石的意见与薛岳的想法不谋而合。为鼓舞士气，坚定歼敌决心，薛岳于当天下午13时又以“卅午忠电”训令各部：“第三次长沙会战，关系国家存亡，国际局势之巨。本会战职有必死决心，必胜信念。为捕拿战机，歼灭敌人，获得伟大战果计，经规定下列三事，分电各部遵办：（1）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。（2）职如战死，即以罗副长官代行职务，按之计划围歼敌人；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。（3）各总司令、军、师、团、营、连长倘有作战不力，遗（贻）误战机者，即按革命军连坐法议处，决不姑宽。”
他将此意分电各部的同时，又致电报给蒋介石。蒋介石于1月4日复电：
“卅午忠电悉。兄能具此决心，督励所部，良堪欣慰。当此友邦并肩作战之际，甚盼此次会战能获得决定之胜利，以为我国革命军人争得无上之光荣也。”
30日晚上，薛岳正式下令，准备围歼向长沙进犯之日军：
（一）战区决定以各兵团向长沙外围之敌军，攻击聚歼之。
（二）杨森指挥第58军，由长乐街向安沙；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多桥、安沙，第二次为傅家冲、周婆塘之线。
（三）王陵基指挥第37军（缺第140师）由瓮江向望仙桥；第78军由三角塘、更鼓台向长桥，索敌攻击。攻击到达线第一次为春华山、东林寺；第二次为大湾港、长桥之线。
（四）罗卓英指挥第26军主力，由洞阳市攻向朗梨市；一部由江花桥经永安市，协助军主力索敌攻击。第79军（附第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寺、柞山桥、大圫铺之线；第二次为朗梨市、东山、金盆岭之线。
（五）第10军固守长沙及水陆洲，第73军固守岳麓山，俟各兵团到达第二线攻击时即断行反攻。
（六）第99军（附第140师）以第197师固守湘江西岸洞庭湖南岸原防；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。
12月31日，日军主力已分别到达长沙外围附近，第40师团一部到达长沙以东的永安市附近，主力在上杉市以南地区；第6师团一部到达朗梨市附近，主力在麻林市以南地区；第3师一部到达石子铺附近，主力在唐田庙附近。第二线兵团的日军独立混成第9旅团、外园支队、泽支队、野口支队分别到达汨水以北地区，向南继续前进。
薛岳下达了总攻命令：“各部从1942年元月1日子夜开始攻击，限元月4日晚到达第一次攻击到达线。”一场大规模的围歼战即将展开。
第10军以第190师防守长沙外围各据点，以第3师防守市内各要点，预备第 10师在岳麓山一带驻防。12月30日，第10军又视情况调整了部署。1月1日凌晨，在长沙保卫战正式打响之前，李玉堂又下令，除留下一两只机动小艇供联络用外，湘江内的一切军用和民用船只，全部都撤往水陆洲和湘江西岸。
1942年1月1日晨，日军第3师团渡过浏阳河，从东南方逼近了长沙守军的前沿阵地。11时，丰岛房太郎师团长正式下达了进攻长沙的命令。中午12时，猛烈的攻城战就开始了。
日军第3师团野战炮兵第3联队首先向预备第10师的阵地猛烈轰击。炮声未停，石井信与的野宪三郎便各率所部，“向狮子岭、金盆岭一带守军最前沿的阵地发起猛烈的冲锋。
日军第3师团第18联队在攻下预备第10师第29团防守的阿弥岭阵地后，又跟踪追击第29团至罗家冲、侯家塘。此时，预备第10师第28团接战。日军另一路突破石马辅、雨花亭进至黄土岭、金盆岭一线。第28团在岳麓山重炮的支援下，在候家塘、黄土岭、东瓜山、修械所与日军反复拼杀，连伙夫、马夫也上阵御敌，击退日军十余次冲锋。
驻守南门外左家塘据点的预备第10师第29团曹健生营的全体官兵，从中午直到薄暮，顶着日机的疯狂轰炸和扫射，打退了日军一次又一次冲锋。最后，全营官兵全部战死，壮烈殉国。
到傍晚时分，日军仍未能完全突破预备第10师的第一线阵地。一心想要在长沙过元旦之夜的丰岛房太郎，于18时30分急令师团直辖的加藤大队投入战斗。这个大队素以擅长夜战而闻名，可以说是第3师团的一张“王牌”。
丰岛房太郎没想到，他的这支奇兵在冲到守军第二线阵地时就被缠住了。战至次日凌晨2时左右，加藤大队长带领3名副官，偷偷地穿过城外的房屋，越过守军兵营，欲潜入市内。当他们刚摸进守军的步哨线，加藤就被隐藏在屋檐下的一名守军士兵击中小腹而命归西天。另外3人中也有两人被击毙，只一人逃出。该大队为了夺回加藤的尸体，曾反复进行了几次冲锋，但均未见效，最后全军覆没。
在长沙东南侧和南门外的日军从傍晚起虽然又发起了数次冲锋，但仍无法攻进长沙。丰岛房太郎的希望彻底破灭了。
1月2日，激烈的战斗仍在长沙城东门至南门一带继续着。凌晨1时30分，城南打靶场的日军开始向邬家庄、小林子街进犯，与守军展开白刃肉搏战。守军寡不敌众，邬家庄与小林子街相继失陷。驻守黄土岭一带的预备第10师第30团阮营长闻讯后，立即带上本部官兵80余人，乘日军立足未稳之际，予以迎头痛击，一举夺回了小林子街与邬家庄的阵地。
3时20分，日军再次向邬家庄、小林子街发动攻击。第10军军部令预备第10师第29团留一个营坚守金盆岭、黄土岭附近阵地，余部在团长陈新善、副团长曾友文的率领下增援作战。天亮前5时许，终于将日军赶出小林子街与邬家庄。陈新善、曾友文在与日军的肉搏战中英勇献身。