第3师团第68联队第1、第2大队经过苦战进占西湖桥，而后两股日军分别向东瓜山、妙高峰冲击。东瓜山失守后又被第29团反攻夺回，后又得而复失。特别是争夺修械所的战斗，双方死伤甚众。据回忆：“修械所所在地的山头，南高北低，最北处有碉堡一座，敌人反复冲锋，终被击退。最后双方进行肉搏，场面十分惨烈，仅200米的阵地上，敌我双方的尸体达四五百具之多，打断的枪支，刺弯的刺刀，横七竖八，狼藉满地，双方死亡的兵员，尸身遍野。战斗之激烈，不堪言状。”
日军第18联队则相继攻占了左家塘、妹子山、识字岭、圣经书院等据点后，随即分兵攻打浏阳门、小吴门。第3师官兵顽强固守，守住了这两座城门。
傍晚时分，阿南惟畿在接到前线战报后，又令第6师团从长沙城东侧和北侧加入战斗。他此次对于攻下长沙仍是胸有成竹。
薛岳此时更是胜券在握。因为他已获得了一份绝密情报。当预备第10师的官兵于1月2日下午全歼了在白沙岭民房内负隅顽抗的日军加藤大队后，在清扫战场时意外地发现了加藤大队长的尸体，从他身上缴获了日军此次作战的计划和命令等文件。薛岳从中得知了日军各师团所在的位置和担负的任务，并得知其携带弹药的数目及其前线作战部队弹药已不足等重要情报。薛岳以少有的激动拍案大叫：“一纸虽轻，胜过万挺机枪也！”他立即将有关情况通报给各部队，令各部按预定计划快速向长沙外围合拢，以达围歼日军的目的。
日军第6师团接到进攻长沙的命令后，其步兵第13、第22联队及独立第2联队于1月2日晚从洪山庙、湖渍渡渡过浏阳河，经德雅冲、伍家岭、开福寺向第190师防御阵地发起进攻。其中以杜家山争夺战尤为激烈。杜家山位于湖渍渡西岸（今动物园东南山），是长沙城东北面的制高点。守军第570团连续击退了日军十余次冲击。
经过第二天的血战之后，守城的第10军官兵伤亡较大，只好缩短阵地，退守第二线据守，与来犯日军展开更艰苦的第二轮搏斗。
1月3日，长沙城的保卫战进入了最艰苦的阶段。黎明时分，日军第6师团从长沙城东北侧、第3师团从东南侧至南侧，连成一线，集中炮火同时向长沙城的北门、东门和南门守军第二线阵地进行炮击。第9战区岳麓山的炮兵立即以炮火进行压制。由于日军炮弹已快用完，所以时间不长炮击便逐渐停止。但两个师团的步兵却发起了猛烈的冲锋。
守卫城北湘雅医院的第190师第569团团长符志豪打电话向师部告急，朱岳亲自督战兴汉门。
守卫东门外窑岭、识字岭一带阵地的第3师第7团团长张振国告急，师长周庆祥督战天心阁。在无兵增援的情况下，张振国亲自带了两名机枪手，封锁窑岭与识字岭之间的道路才稳住了阵地。
守卫南门外黄土岭、乌岭冲、太乙寺一带阵地的预备第10师第30团团长葛先才告急，方先觉亲自往南门口督战。
在这一天，只有第190师第568团守卫的小吴门没有出现危急难支的局面。该团团长陈家堂毕业于军校工兵科，长于阵地守卫战。他在日军进攻之前，就在小吴门外的十字路口构筑严密的工事，组成强大的交叉火力网，封锁了敌人攻城的唯一通道；在其他支路道口，他以砍伐街树、推倒危房、堆放桌椅门窗的办法，密密层层地加以堵塞。有些必经之路还洒上了大片粪便和污泥浊水，使敌人望而却步，无法包抄掩袭。
这天上午，第73军第77师渡过湘江，增援第10军守城。
此时，战场上突然传来了蒋介石于2日午夜签发给第10军全体官兵的一份热情洋溢的电报。蒋介石此时自是别有一番寓意：12月25日，日军攻占了香港；1月2日，日军又攻陷了菲律宾的首都马尼拉。驻守香港、马尼拉的英美军队在日军的进攻面前，节节败退，一触即溃；相比之下，第9战区的军队却顶住了日军的进攻已近半月，特别是在1日和2日这两天的长沙保卫战中，第10军官兵死守阵地、敢打硬拼的视死如归的精神更是令蒋介石感到欣慰。因此，他便马上给正在极端困难的情况下血战几十个小时、死守长沙城的第10军发了一份长长的专电：
我第十军全体官兵，两日来坚守阵地，奋勇歼敌，致堪嘉慰。此次长沙会战之成败，全视我第十军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人，此种光荣重大任务，全国军民均瞩目于我第十军之能否完成，亦即我第十军全体官兵成功成仁之良机。敌人悬军深入，后方断绝，同时我主力正向敌人四面围击，我第十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。望激励所分部，完成使命，无负本委员长及国人所期为要。
蒋介石的这份电文在第10军中一级一级地向下传达，这对于连续作战而伤亡惨重、筋疲力尽，几乎已经到了崩溃边缘的士兵们来说，无疑是一个巨大的鼓舞。这些普通而平凡的士兵，突然知道自己的行动已经受到最高统帅和全国军民的注意与重视时，就好像一下子看到了自己生活的意义与自身的价值，低沉的士气重新又高涨起来。
据日方记载，当天第3师团的战斗情况是：进攻长沙东门的石井部队仍在城墙附近与守军进行肉搏战，但由于弹药极端缺乏，有的士兵在拼刺刀中战死。进攻南门之的野部队于早晨6时30分占领南门外的东瓜山阵地，但大队长横田庄三郎被击毙，而且“重庆军凭据附近一带的无数掩蔽工事，进行顽强抵抗，毫无退却的征兆，兵力愈加增多，事先已经储备好的大批弹药发挥了作用，反复逆袭达数十次”；“横田大队的左侧面已暴露在岳麓山的重炮阵地之下。从正面又受到了优势兵力的反攻，终日在反复地死斗中。正在第一线联络的联队副官神野一郎大尉战死，第5中队全体干部负伤。此时，弹药已经全部用尽”。
第6师团的战斗情况是：“3日拂晓，各部队进入长沙城东北侧，一齐开始攻击。特别是步兵第23联队第12中队急袭了长沙城北侧阵地，在13时左右很快地挺进到湘江畔。另外第2大队占领了长沙城外的阵地。重庆军从湘江对岸的岳麓山，以重炮（15榴）应战，猛烈轰击。下午各部队虽继续在城墙外围竭力攻击，但战斗陷入胶着，由于重炮（15榴）的集中轰击，我方不断伤亡。”
此时第9战区的大军正迅速向长沙外围合拢。至傍晚时分，第9战区就形成了以两个军（第10、第73军）固守长沙、岳麓山，4个军（第26、第79、第4、第74军）分别进占长沙以南、以东的金盆岭、朗梨市一带，5个军（第20、第58、第37、第99、第73军）分布于汨水、捞刀河之间地区，控制着日军退却路线，形成从东南、东北、西面及北面对日军的包围圈。
薛岳通令各部，限于1月4日晚全部进入第二次攻击到达线。
此时的日军已岌岌可危。但是阿南没有立刻下令日军撤出战场，反而要求再进行猛攻以占领长沙，突破中国军队的包围。11军的参谋长木下勇少将以及全体参谋，都发现日军在长沙的局势已经十分危急了，若是再不迅速脱离战场，恐怕就要遭到无法收拾的下场。他们向阿南提出反对意见，才迫使阿南在最后一刻同意参谋长的请求，下令日军设法尽快退出阵地。
1月4日下午，接到撤退的命令、到了规定的撤退时间——太阳落山后，攻城的各路日军便准备开溜。一些被缠住的无法脱身的日军，想尽办法脱离战场，而担任掩护撤退任务的日军只能恨自己倒霉。
日军第3、第6师团从长沙城下仓皇撤退时，首先遇到的就是第9战区的主力军、曾以“铁军”著称的第4军的堵击。不过，该军围歼的重点是日军第3师团。丰岛房太郎率第3师团战斗指挥所先行撤退，第68联队跟着撤退。可是，当退到雨花亭北侧时即被第59师包围。的野宪三郎联队长拔刀保护军旗，命令第2大队从后面冲上来担任前卫，才杀出一条生路。日军第3师团在这一夜之间的撤退路上就丢下了1000多具尸体。
5日凌晨，好不容易到达浏阳河畔东山镇的第3师团，又遭到对岸第98师两个团猛烈的炮火袭击，河上的桥梁早已被毁，第4军正由背后追来。丰岛房太郎只好命令部队沿浏阳河南岸从磨盘洲附近徒涉。
此时后面追击的第4军已逐渐逼了过来，丰岛房太郎赶紧把身边仅有的一些参谋、勤杂人员组织起来进行阻击。幸亏其后继部队第68联队及时赶到，才救了丰岛房太郎一命。
在长沙城东北一线的日军第6师团，趁着第3师团在长沙东南部与第4军激战突围时，撤到了朗梨市一带，并在朗梨市边的浏阳河上架好了渡河的军用便桥。丰岛房太郎为了保命，丢下大部队，自己带着几个侍从利用堤坎的掩护，徒步跑到了高桥。后来，第3师团的大部队在第6师团的接应下，从朗梨军桥撤过了浏阳河。
在磨盘洲附近的日军战至黄昏后，已无力再战，又与主力失去了联络，手足失措之余，乃集结残众竖起白旗示意投降。不料，第292团官兵战兴正酣，且暮色苍苍，仓促中没有理解这是日军投降的信号，还以为日军在耍什么花样，于是不管三七二十一，又对其进行了一番猛烈扫射。此股日军最后乘夜暗向东山、谷塘、永安等方向逃窜。第二天，第292团清扫战场时，在磨盘洲一带鏖战过的地方，发现日军尸体300余具，师长王甲本集尸葬之，并立碑“倭寇万人冢”以志。
1月6日，日军第3、第6师团离开朗梨市，向北退去。欧震第4军和由萧之楚率领的第26军紧追不放。丰岛房太郎和神田正种此时都不敢恋战，两个师团排成长长的并列队形，继续向枫林港一带撤退。
同时，在金井附近的日军青木第40师团则奉命开始南下，其主力于6日黄昏进到春华山以北地区，掩护第3、第6师团的撤退。可是青木第40师团的先头部队进抵金井时，被中国守军的外围部队从东、西、北三方合围，无法突出。等到增援部队赶来后，400名日军只剩下20名，几乎是全军覆灭，大队长和两名中队长都被击毙。1月7日，青木第40师团好不容易现了踪影，他们一路留下尸体，艰难地到达春华山一带。
这时，中国第9战区的部队，从东南面、东面、东北面、西北面和西面对长沙的日军实施合围。前有兵堵，后有尾追，侧面也有打击，第三次长沙会战，终于到了熔炉升到最高温度的时候——聚歼日军。
日军饥疲交加，伤亡惨重。到15日，日军退过新墙河，固守原地。第9战区担任尾追的各军追到新墙河以南，还有一支部队向新墙河以北追击。湘北地区也成了“烧烤”侵略军的“熔炉”。中国军队的激情，洋溢在湘北战场。
从汨罗江到新墙河，只有短短的80公里，日军足足走了8天。败退的日军在中国军队一波又一波的攻势下，全靠日本空军不断地提供空中火力支援才得以脱险。这是日军在中国战场上遭到的比在台儿庄还要凄惨的败仗。假如不是中国军队为了要策应缅甸作战，调走了更多的精锐部队，或是木下勇没有说服参谋强迫阿南及时下达撤退命令，只要日军的撤退再晚48小时，那么日军绝对会在第三次长沙会战中，发生整个师团被完歼的惨败下场。
中国军队第三次长沙会战的胜利，是盟军在反法西斯战场上屡遭挫败之际所取得的唯一一场胜利，意义不同寻常。英国《泰晤士报》评价道：“12月7日以来，同盟军唯一的决定性胜利就是华军之长沙大捷。”为了表彰薛岳，蒋介石给予他最高奖赏——青天白日勋章。罗斯福总统也奖给他一枚独立勋章。