阿南于23日颁发攻击令后，神田第六师团、青木第四十师团于24日傍晚向据守新墙河阵地的杨汉域军发起攻击；次日，丰岛第三师团及泽支队亦跟随攻击前进。薛岳一面命令杨汉域率部队撤到关王桥、陈家桥、三江口、羊角岭一线正面阵地抵抗，迟滞敌人前进；一面命令陈沛、傅仲芳两军迅速进驻汨水两岸，占领阵地。当时正遇大雨雪，日军机械化部队很难施展威力，而日军士兵在军官督率下，与我军在泥水中搏斗至27日拂晓。因寡不敌众，夏炯师防守的羊角岭一带阵地终被敌军丰岛师团突破。敌军在飞机轰炸和大炮轰击配合下，开始攻击傅仲芳军左翼南渡河迄夹塘间的梁汉民师阵地。辰刻，青木第四十师团攻击右翼陈沛军董煜师据守的团山铺阵地，神田第六师团亦开始攻击罗奇师据守的天井山、兰市河阵地。从28日晨至午，神田、青木、丰岛等三个师团在猛烈炮火支援下，突破守军的阵地，渡过汨罗江，与南岸的陈沛、夏楚中两军展开激烈的战斗。由于杨汉域、陈沛、傅仲芳、夏楚中等军在新墙河迄汨罗江间顽强抵抗，迟滞了敌人前进的速度，给薛岳从鄂赣边调罗卓英、王陵基、孙渡等率十几个师进驻浏阳、平江南北地区，部署起长达一百公里的侧击阵势创造了条件。
畑俊六批准的第十一军作战计划，仅仅是为了牵制第九战区部队南下援助英军保卫香港。25日晚，香港英军已投降，突破新墙河、汨罗江我守军阵地的日军已激战十日，九战区援港部队已开始北归。至此，牵制第九战区部队南下援港的任务已经完成。但阿南为雪上次长沙战败之羞，未经派遣军总司令官批准，拒绝副参谋长二见秋三和作战主任岛村矩康等人因战线太长，补给困难，不宜进攻长沙的建议，根据东条英机在日本议会发表的好战演说和飞机侦察报告我国军队正向长沙退却的情报，未待南京派遣军总部的指示到达，即于29日下令向长沙发动进攻。命令概要如下：
一、敌有向长沙和金井方向退却之迹象。二、军决定以主力向长沙方向追击。
三、第三师团应迅速由近路向长沙追击。四、第六师团击溃麻石山、鸭婆山附近之敌后，应以主力追击梨市之敌，另以一部向长沙方向追击。五、第四十师团以一部留在语口附近，主力进入麻峰嘴附近后，应向金井急进。六、独立混成第九旅团，应向关王桥急进，并指挥泽支队在汨水以北，掩护军左侧背的安全。
此外，还将外园支队（独立混成第十八旅团的第九十五大队）紧急调来前方待命。日军各部根据阿南的作战部署行动：丰岛师团于29日傍晚取捷径，昼夜兼程，31日下午渡过浏阳河，从1942年元旦开始，由东南两面发起对长沙的攻击；神田师团长得知第三师团停止向左迂回，配合其歼灭罗奇师的战斗，也于31日黎明由麻万山、鸭婆山向南急进，1日到达浏阳河一线，担负起■梨市渡河点附近的警备，维护第三师团的后路；同时，青木师团亦停止对陈沛军的攻击，于31日午夜进抵金井附近，占领金井以北的隘路口，掩护进攻长沙日军的侧背；新由华北开到接替第四师团防地的池上贤吉旅团并指挥泽支队，于26日展开于关王桥地区，以拱卫攻长沙日军的后方。
蒋介石于12月30日以"卅酉令一元九"电指示第九战区："丑、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，我应以第二线兵团位置于战场较远地区，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，集举各方全力，一齐向敌围攻，以主动地位，把握战机。"
薛岳接到蒋的电示后，也于是日酉刻颁布如下作战命令：
敌已渡越汨水，正向长沙窜犯，我决心攻击，一举围歼之。特部署如次：
（一）杨副司令长官指挥孙军由长乐街经东山港，青山市道向安沙，杨军由清江口、福临铺、文家圾道向石子铺，索敌攻击，攻击到达线第一次为三多桥、安沙、戴家园之线，第二次为傅家冲、周婆塘之线；
（二）王副长官指挥陈（沛）军（欠李棠师）由甕江经脱甲桥、上杉市、赤石河道向望仙桥，夏（首勋）军由三角塘、更鼓台经金井、路口畬、春华山、黄花市道向长桥索敌攻击，攻击到达线第一次为戴家园、春华山、东林寺之线，第二次为大湾港、长桥之线；
（三）罗副长官指挥萧军主力由洞阳市经永安市枫埧道向梨市索敌攻击，另一部由江花桥经永安市协力军主力攻击。夏（楚中）军（附郭礼伯师）以主力由金潭经马营向黄花市以南索敌攻击，依状况再转向梨市攻击，另一部由渡头市向柞山桥索敌攻击，依状况再转向东山攻击；欧军以主力由龙图铺经跳马涧、白田铺，一部由谭家填经水口山西塘冲，向长沙以南地区索敌攻击。各军攻击到达线第一次为东林寺、莲塘、柞山桥、枫树河、白田铺、大托铺之线。第二次为梨市东山金盆岭之线；
（四）李军固守长沙，彭军固守岳麓山，并以一部任观音港经溁湾至白沙洲、湘江西岸之警备，待各兵团到达第二次攻击目标附近时，即断行反攻。
（五）傅军万师固守湘江西岸及洞庭湖南岸原防，梁师由三姐桥经桥头驿，陈军李师由栗桥经官桥向捞刀河索敌攻击，攻击到达线第一次为白沙洲东岸桥头驿、官桥之线。第二次为捞刀市附近地区。高师固守双狮洞、柳溪桥、花石岩、湘阴、营田各要点，并以有力一部由明月山、双狮洞向栗桥、福临铺侧击敌军，截断敌联络补给线。
1942年元月1日拂晓，丰岛师团步骑炮两万余人渡过浏阳河，分三路向长沙发起攻击：右翼为的野联队五千余人向城南进犯，方先觉师据阿弥岭、滴水井阵地居高迎击，敌未得逞。巳刻，的野联队在飞机十余架掩护下再次发动攻击，并以一部窜扰林子冲、金盆岭附近，经方师奋勇抵抗被击退。申刻，的野再度增援猛扑，双方战至酉刻，方师转移到农林试验场、半边山、左家塘之线，继续与敌人拼杀。亥刻，的野联队长复增援生力军反扑，除夺取白沙岭一带村落外，左家塘、军储库一带阵地全被方师恢复。丰岛选择城南作突破点，由于遭受牛头洲重炮轰击和方先觉师的顽强抵抗未能奏效，随后将攻击重点转向城东南角。2日寅刻，以石川联队四千余人，在宫永炮兵联队支援下，向据守邬家庄、林子冲阵地的方师进攻，经葛先才团阮营顽强抵抗，阵地失而复得者四次。卯刻，丰岛再度增援猛扑，方先觉派团长张越群亲率兵二营迎击，激战一小时敌人溃退，副团长陈新善、团副曾友文均战殁。为配合石川联队的攻势，丰岛师团的右翼军石井联队亦藉飞机的掩护，于同时发起对防守南元宫、二里牌、左家塘、军储库一带阵地的朱岳师进攻，朱师浴血拼杀，在南元宫附近就击退日军的六次冲锋。为争夺攻下长沙首功，的野联队长复于2日巳刻，集中五千余人再次攻击金盆岭、黄土岭方师阵地。其他一股日军乘隙窜入军储库、邬家庄附近，谋袭取我回龙山要隘。但该两敌均遭牛头洲王若卿重炮旅的轰击，均抱头窜去。午刻，的野联队长复率所部，在炮兵援助下攻击金盆岭、乌龟冲、太乙寺、修械所等地。方师复陷入苦战中。石井联队为配合的野联队的攻势，亦拼死攻击南元宫朱岳师阵地，并施放毒气。守军伤亡惨重，然剩余官兵仍固守阵地。申刻，石川联队二千余人猛攻新军路，双方互相反复争夺高楼大屋，方师以手榴弹、刺刀与日军格斗，终于将敌人攻势粉碎。丰岛投入三个步兵联队和炮兵、工兵联队各一，经两日激烈战斗然未奏效，遂准备于2日夜拿出该师的王牌、以夜袭取胜而著称的师直属大队，以此作为突击队，从的野、石川两联队的结合部投入战斗。这个从淞沪会战以来即以勇敢著称的加藤素一大队长，带少数人员穿过城外房屋选择突破口时，被方师斥候兵击毙，并从尸体上搜出日军的作战计划。丰岛惊恐万分，严令该大队副小琢登率队乘夜突入我国守军阵地，又被方师以火攻在白沙岭歼灭其两个中队。加藤大队为日军著名敢死队，它的覆灭给日军第三师团的士气带来沉重打击。
薛岳和战区参谋人员根据前两次日军进犯长沙的经验，判断日军这次进犯长沙必置主攻部队于城东南角，以避免在东屯渡、黑石渡施行敌前渡河；东南郊地势较高，可俯瞰全城；同时地形复杂，容易接近，可由此压迫守城军队于尺形之浏阳河曲予以歼灭。故薛岳将守城主力置于此处，凭坚固工事顽强阻击攻城敌人，在牛头洲布置重炮群，集中火力轰击胡家垅、雨花亭、左家塘、阿弥岭等日军集结地，压制敌人炮兵，阻止敌人步兵展开，致日军很多人死于炮火之下，丰岛师团长也几乎被炮弹击中，使其两日攻城之战未能取得进展。
阿南见丰田师团在城东、南两面攻击两日，伤亡惨重，不能突入城内，乃于2日傍晚命令神田师团长率该师主力据守■梨市要隘，确保攻长沙军侧背的安全，派第六步兵旅团长竹原三郎率两个步兵联队和一个山炮联队，于3日拂晓，乘方、朱两师与丰岛师团在城南、城东剧烈战斗空隙，由浏城门东侧窜入东北侧，13时左右，其一部曾窜到湘江畔，当即遭到据守阵地的步兵和岳麓山王若卿重炮旅的集中袭击，日军伤亡甚重，未能开展。10时，神田师团长赶到前线，与竹原旅团长研究决定，先夺取城外据点再行攻城。竹原指挥先头部队抢占留芳岭、湘雅路和附近的高楼大屋，妄图掩护其主力集结，大举由北面攻城。为支援李玉堂军守长沙，薛岳早已命令六战区的彭位仁军抽调韩浚师渡过湘北，集结在城北湘春街一带，当即与神田师团在城北展开激烈的争夺战。午后，岳麓山的重炮群以狂风骤雨之势，向抢占城北各据点的日军轰击，并集中火力摧毁众多高大建筑物，使日军失去凭借。戌刻，竹原旅团长督率所部五千余人向兴叹门、天主堂、湘春门以北韩师阵地猛攻，并施放毒气。由于守军的顽强抵抗，竹原未能得逞。
为配合神田师团在城北的攻势，3日，丰岛师团长指挥所部亦发动强大攻势。当晚子刻，石井联队在陈家山以东地区，分三路向陆军医院、陈家冲、杜家山进犯，遭到朱岳师的坚决抵抗，陈家山失而复得者多次。卯刻，敌人以飞机向守军施放毒气和烧夷弹，其步骑乘守军晕迷，向浏阳门猛扑。守军与来犯之敌展开白刃战，终将接近城垣的敌军击退。巳刻，丰岛师团长复督率攻城的主力的野联队再次进攻红石咀、陶家冲方先觉师阵地，方师与之反复肉搏，攻入我军阵地的鬼头、横田两大队长先后丧命。未刻，石井联队发起向据守南华女校及四十九标阵地的朱师猛攻。陈家堂团长亲自率部迎战，派部属携轻机枪据清水塘高屋顶，对日军后卫猛扫，歼敌甚众，收复陈家山、杜家山阵地。由新军路向小吴门冲击之石井联队另一部亦被击退。
由于薛岳调动的援助长沙的三十几个师已迫近，而日军携带的弹药又消耗殆尽，阿南的幕僚建议阿南急速撤军。阿南在绝望之余，于3日在参谋室黑板上写下"今更莫把惊惧生，兵家胜败是常情"的诗句，当夜下达了撤兵的命令。但丰岛师团长坚持要找回加藤大队长的尸体，要求神田师团长配合他再作最后的努力。为便于乘夜脱离战场，故于4日拂晓起，两师团再次向守城的我国军队发起猛攻。首先神田师团从北面攻击兴汉门，当即被守城的周庆祥师击退。接着丰岛又纠集七千余人分别向陶家冲、修械所、小吴门猛扑，更以飞机十余架轮番轰炸。方、朱两师经三日血战，已不堪再战。薛岳从加藤大队长尸体上搜出的文件中得知，日军出发时每个士兵仅携步枪弹一百二十发，轻机枪弹一千发，每门山炮仅配炮弹一百零五发。薛又根据日军自3日起就不断空投食物的情况断定，攻城日军粮弹已尽，立即将此情况通报全军，鼓励部队坚持最后五分钟。守城官兵人人奋勇，战斗兵牺牲殆尽，即以辎重营、卫生队等杂务兵补充。各连号兵齐吹冲锋号助战，杀声遍野。日军伤亡累累，仅五次争夺的修械所阵地前即遗尸二千具。未刻，神田师团纠合残部又一次攻击兴汉门不得逞，遂四处纵火，率部退却。这时东南城郊天空出现红绿闪光信号弹，我国各路反击大军已经到达指定位置。
薛岳为把握战机，扩大战果，令各部队于4日夜开始反攻，并督励各部"务猛勇前进，彻底歼敌，如敌由某部队作战地境内安全逃窜，即严惩该部各级主官及幕僚"。蒋介石亦来电："如敌由某部正面窜逃，即枪决其军师长。"各部官兵既懔军令之森严，复知敌已败退，故无不奋勇向前，以期建立功勋。4日晨，罗卓英指挥的萧之楚军到达西塘、曹家坪线，夏楚中军亦进迫梨市东山。未刻，由粤北赶回的欧震军攻下长沙南部雨花亭、林子冲、金盆岭、黄土岭各要点，以信号弹与守城的李玉堂军取得联系，号兵吹起冲锋号，城内守军复又杀出，内外夹击，敌人阵线大乱。欧军乘胜转向东郊，酉刻，尽复城南、城东各要点，围攻长沙的日军狼狈北逃。
日军从4日起开始回窜，沿途经罗卓英、王陵基、杨森、傅仲芳等几路大军的追击、侧击、截击，伤亡惨重。至15日，由于敌池卫贤吉独立第九旅团不断拼死反扑，始将阿南指挥进犯长沙的残兵败将接应回到新墙河北岸。至此，第三次长沙会战胜利结束。
在这一战役中，日本侵略军损失惨重，据国民政府军委会公布的战报，共击毙日军联队长级军官为石井信、木原义雄、片冈初吉、友成敏一、板口利夫等五员，大队长以下五万六千九百余人，生俘日军官兵三百九十余名。
当时日军称霸太平洋战场，美、英、荷等西方资本主义强国的军队被日军打得无还手之力，东南亚大片土地转眼沦陷于日军铁蹄之下，而素被西方列强视为东亚病夫的中国，竟能在独力抗击号称五强之一的日本军国主义者四年之后，犹能在长沙取得如此重大的胜利，不仅全国一片欢腾，短短几天内，民众即捐款二百五十余万元慰问抗战将士，美、英、苏盟邦亦纷纷致电祝捷，应作为中华民族的骄傲载入史册。
二第三次长沙会战中日双方战斗序列
（一）中国军队方面
第九战区司令长官薛岳副长官罗卓英杨森王陵基第十九集团军总司令罗卓英第四军军长欧震第五十九师师长张德龙第九十师师长陈荣基第一○二师师长柏辉章第二十六军军长萧之楚第三十二师师长王修身第四十一师师长丁治磐第四十四师师长陈永第七十九军军长夏楚中第八十二师师长欧百川第九十八师师长王甲本第一九四师师长郭礼伯暂编第六师师长赵季平第二十七集团军总司令杨森第二十军军长杨汉域第一三三师师长夏炯第一三四师师长杨干才暂编第五十四师师长孔荷宠。