5日，日军攻占沙洋，6日占荆门、十里铺、十回桥。8日，日军占领远安、河溶、江陵、沙市，主力展开于荆门、十里铺、江陵之线。9日开始，在航空兵直接支援下，向守军主阵地进攻。午后，右翼阵地被突破，当夜退守宜昌外围阵地。日军继续进攻。激战至12日16时，宜昌失守。日军第11军原定在攻占宜昌后，各部队即返回驻地。占领宜昌的当晚，园部和一郎即令从速整理态势，作撤退的准备。6月15日，下令撤退，16日全部撤出。第五战区第18军当即收复宜昌。日本大本营受欧洲德国占领巴黎和意大利宣布对英、法作战的影响，为进一步加强对重庆的威胁，不顾兵力不足，又命中国派遣军确保宜昌。17日12时许，日军第13师团又攻人宜昌。此时，大洪山地区的日军第40师团已被第29集团军包围，激战6日夜，伤亡极重，师团长天谷直次郎负伤，粮食，弹药全靠空投。园部和一郎因无机动部队可以增援，只好令第40师团自身组织突围。6月21日，突出包围圈，到达钟祥以北汉水东岸。至此，会战结束。
此次会战，日军虽占领了宜昌，但未能击溃第五战区的主力，而且遭到重创，伤亡1.1万余人。兵2个中队、工兵1个中队，另配属战车1个联队、工兵1个联队、野战重炮兵1个大队又1个中队、山炮兵和机关机各1个大队，汽车1个中队）由通城东南的鲤港沿湘赣边境山地，经南楼岭、福石岭向平江以东进攻；第106师团（中井良大郎，欠步兵4个大队，野炮兵2个中队，另配属第101师团第102旅团4个大队、野炮兵及迫击炮各1个大队渡江工兵1个联队、4个汽车中队）由奉新地区先向高安地区进攻，击溃该地守军后，转向北进，主力进攻修水，一部进攻武宁，以摧毁九岭地区抗日根据地，策应军主力向长沙以北进攻；陆军航空兵第3飞行团（营原道大，侦察机1个中队、1个战队，战斗机、轻轰炸机各1个战队）重点支援2个主力师团作战；海军第13炮艇队（高间完，配属陆战队及部分航空兵）主要掩护第5旅团溯湘江进攻和登陆。
武汉失守后，湖北长江以北和湖南、江西西部，为第九战区防区。军事委员会赋予的任务是：保卫湘赣，尤以长沙附近要域。作战方针是：湘北方面，利用既设阵地，逐次抵抗，换取时间，消耗敌人，敌加进至第二线阵地（平江亘泪罗江之线），则以幕府山为根据地，猛袭敌之侧背；万一进逼长沙，以顶伏长沙附近及其以东地区的部队夹击之。赣北方面，以游击战牵制消耗敌人，万安方面应纵深配备，如敌攻高安，则放弃高安，诱敌深入而侧击之。1939年9月上旬，第九战区得悉日军向湘北，鄂南集结兵力，判断其有进攻长沙之可能，遂根据作战方针，制订了作战指导大纲。其主要内容是：湘北方面这次抵抗，诱敌至长沙附近包围歼灭之；赣北及鄂南方面，以侧击或围攻击破敌人，以利于主力方面之作战。此时，第九战区共有47个师、3个挺进纵队。其兵力部署是：第19集团军（罗卓英，4个师）位于赣江西、浙赣路北之松棚街、高安、新喻地域；第1集团军（卢汉，4个师）位于莲花山、桥下、江家州地域；第30集团军（王陵基，4个师）位于瑟琶山、蒲田桥，梁门地域；第27集团军（杨森、4个师）位于修水、桃花港、青梅湾地队域；主要防御方向上的第15集团军（关麟徵，8个师）位于粤汉路西侧、新墙河以南、长沙以北、幕阜山区及泪罗江两岸，麦市、新墙、鹿角（第一线阵地）、新街、汨罗、营田（第二线阵地）及福临铺、湘阴地域；第20集团军（商震、霍揆章，6个师）位于长江以南、洞庭湖以西石首、常德、宁乡地域；湘、鄂、赣边区挺进军（樊崧甫，2个帅、2个挺进纵队）在德安、大冶、阳新附近游击；总预备队（15个师）分别隼结于衡阳、湘潭、长沙、上高等地区。第九战区司令长官（薛岳）司令部，位于长沙。由于卢汉有病，罗卓英统一指挥第1、第19集团军。
日军第11军司令官冈村宁次于9月13日下达作战命令。主要内容是：为隐蔽主攻方向，迷惑、牵制中国军队，命左侧翼之第106师团，9月15日先开始进攻，由奉新以西突破守军第1、竿19集团军左翼阵地，迸出至其侧后，歼灭守军于高安西北地区；命右侧翼之第5旅团，9月23日拂晓在营田登陆；命军主力于9月23日拂晓发起进攻，向旧水上游平江地区攻击前进，以歼灭该地区守军第15集团军，主力各部队的行动为：第6师团由新墙镇以西向汨水南高地突进；第26旅团由杨林街以西向悟口、汨水北岸突进；第33师团由通城向麦市、渣津突进。
1939年9月15日，赣西方面日军第106师团先发起进攻；其第102旅团从高安东北之大城镇向祥符观第32军阵地作牵制性进攻；其主力从会埠地区突破守军第60军阵地后，向第1、第19集团军阵地后方迂回。两集团军被迫后撤。18日，第32军放弃高安，退至锦江南岸。日军第106师团主力与第102旅团在高安会合后，于21日放弃高安，第102旅团返回大城镇，第106师团主力转向修水方向进攻，25日进至甘坊以西地区。湘北方面日军右翼第5旅团及海军陆战队，9月23日由洞庭湖向守军第15集团军左翼实施水上包围，当日在营田登陆，沿汨罗江南岸向东进击，25日攻占归义，日军主攻方向的第6师团、第26旅团，于23日拂晓强渡新墙河，分别由新墙、杨林街突破守军第52军阵地；第33师团亦于当日由麦市突破守军弟79军阵地。24日，薛岳下令命第15集团军以一部兵力在新墙河、汨罗江间阻击日军，主力退至泪罗江第二阵地。日军突破第一线阵地后，不顾突破口以外阵地的中国守军，迅速向南急进，企图到达汨水之线，切断守军退路进行围歼。25日，第6师团及第26旅团到达汨罗江北岸及平江西之悟口；第33师团遭守军第79军依据山地的坚强抗击、被阻于麦市南约10公里之桃树港。激战至26日，蒋介石决心与日军在长沙附近进行决战，遂电令薛岳：“准备以6个师兵力，位置于长沙附近，并亲自指挥，乘敌突入长沙之际，侧击而歼灭之。”但日军之战役企图，并非进攻长沙，目的在于击歼中国军队、特别是第15集团军的主力。战斗至27日时，日军第6师团、第5旅团进至福临铺以北地区、第26旅团、第33师团及第106师团，在守军坚强抗击、反击下、被阻于长乐街龙门厂和黄沙桥附近。兵力相当分散，且未能寻歼到中国军队的主力，恐继续深入陷入重围，冈村宁次遂决定停止前进，令第26旅团向东转进，策应第33师团。至30日，第6师团一部兵力前出至捞刀河北岸，第26旅团与第33师团在三眼桥会合，第106师团则在九岭山区内遭到第19集团军的强烈反击，陷于苦战中。冈村宁次察觉态势不利，下令全线撤退，命令说：“华军顽强，现仍潜伏干汨水、修河两岸地区。本军为避免不利态势，应速向原阵地转进，以图战斗力之恢复，并应严密防备毕军之追击。”10月1日，日军开始撤退。2日，中国军队发现日军撤退，薛岳立即下达命令，要求各部队，“以现在态势立向当面之敌猛烈追击，务于崇阳、岳阳以南地区捕捉之”，“对敌之收容部队，可派一部监视、扫荡之，主力力行超越追击”。各部队因恐日军是佯退诱敌，故虽接到“超越追击”之命令，并未执行，仅尾追日军、收复失地。至10月10日，中日双方又恢复了会战前的态势。
此次会战，日军在进攻与撤退行动中，不论在主攻方向粤汉路方面，还是助攻方向九岭山区方面，均遭到中国军队的坚强阻击、侧击和追击，敌后游击挺进军，亦不断袭击其后方，日军遭到很大损失，并未能实现其围歼守军主力于湘赣地区的战役企图。参加会战的兵力，日军约10万人；第九战区32个师又3个挺进纵队，约30余万人。日军伤亡3550人，中国军队伤亡及失踪约3万人。
第一次长沙会战，日军损耗了大量人员、装备，并未能达到歼灭中国军队主力、摧毁其继续抗战之意志的战略企图，而中国军队虽然在损耗上较日军严重，却保存了主力，又未丧失空间，在20余天的战斗中，以阵地防御与运动侧击及游击袭扰相结合的战法，予敌以相当损耗，是基本符合“消耗持久战”的战略方针的，在此意义上，应该视为是一次胜利的战役。特别在精神方面的影响，尤为积极，通过会战，使中国军队确实认识到，日军兵力不足，己无力发动武汉会战以前那种大规模的进攻，加强了抗战必胜的信心，提高了广大官兵的士气。日军第11军司令官冈村宁次也认识到这一点。他在会战后给中国派遣军总司令官西尾寿造的意见书中认为，这次会战，既未能击歼中国军队主力，又未能攻占长沙即撤退军队，“恢复军原态势，此不啻号召敌人反击，对其作战军予以鼓励，努力于提高其士气”。事实正是如此。12月间，中国军队即发动冬季攻势，各战区同时进攻本战区内的日军，予侵华日军以一定程度的打击。
1941年春，日本陆军次官阿南惟几接任第11军司令官。他在陆军部时曾参加制订《对华长期作战指导计划》，预定在1941年夏秋之际，“发挥综合力量，对敌施加强大压力，以期一举解决事变”。因而，他到任后，积极准备对第九战区发动一次较大的攻势。并于7月间制订出初步计划（“加号作战”）。日本大本营于8月26日同意第11军的计划，下达了进攻长沙的命令。9月上旬，最后改定了计划。其主要内容是：作战目的：“为摧毁敌之抗战意志，对西部第九战区军队，予以一次大的打击”。作战方针：我军于9月18日开始攻击，在击破新墙河阳水间之敌的可时，向长乐街附近汨水下游之线进出；完成准备后，攻击汨水南岸之敌，沿新市、粟桥道地区突破。以军主力自该道以西亘湘江地区实施包围击灭，以一部（第6、第40师团）尽可能击破蒲塘方面山地内之敌。对泪水南岸之敌的攻击开始时间，预定为9月23日前后，至9月末，作战结束。在部队集中的末期，以一部与海军协同，对常德进行佯动。为牵制第九战区的军队，南昌方面的警备部队，适时实施攻击。使用兵力：第3师团（配属山炮4个大队）、第4师团（配属山炮、迫击炮各1个大队）。第6师团（配属山炮2个大队、迫击炮1个大队）、第40师团（配属山炮1个大队）、第13师团第26旅团（早渊支队，步兵4个大队、山炮2个大队）、第33师团第33步兵团（荒木支队，步兵3个大队、山炮1个大队）、独立混成第14旅团第63大队（平野支队，配属1个山炮中队）、独立混成第14旅第62大队（江藤支队）、战车第13联队（配属轻战车2个中队）、野战重炮兵第14联队、独立野战重炮兵第15联队第1大队、军工兵队（独立工兵3个联队、架桥材料8个中队）、岳南兵站地区队（汽车18个中队、辎重兵9个中队）。总兵力为：步兵45个大队、炮兵26个大队。协同作战的部队：第1飞行团（侦架机3个中队、直协机3个中队）、第3飞行团（侦察机1个中队、战斗机2个中队、轻轰炸机3个中队）、海军第1遣华舰队一部。
第一次长沙会战之后，第九战区根据会战的经验教训，于1941年3月17日制定了《第九战区反击作战计划》，判断日军如再次向第九战区进攻，其主力可能“向杨林街、长乐街、福临铺道及粤汉铁路湘江两岸，会攻长沙、衡阳”。计划“诱敌主力于汨罗江以南金井、福临铺、三姐桥以北地区，反击而歼灭之”。至9月上旬，第九战区所属部队有11个军，约30个师。其兵力部署为：第99军（傅仲芳，3个师）守备青山一带及湘阴、营田、归义间湘江、汨罗江之守备；第27集团军（杨森，8个师）守备新墙河两岸、鹿角、通城、金塘坳间地区；第30集团军（王陵基，4个师）以一部兵力守备界牌、观音阁、潭埠之线阵地，主力集结于三都附近；第19集团军（罗卓英，6个师14个保安团）以大部兵力守备上东坑、靖安、奉新、高安、市汊街地区，其第74军（王耀武，3个师）集结于新喻、宜分地区；第37军（陈沛，3个师）、第26军（萧之楚，3个师）、第10军（李玉堂，3个师）分别集结于福临铺、金井、衡山地区。另外有7个挺进纵队等在敌后咸宁、瑞昌一带进行游击。第九战区司令长官部位于长沙。
日军第11军进攻长沙的各部队在向新墙河以北进攻出发地位集结时，为了保障集结地区左翼的安全，解除侧方威胁，掩护兵力集中，阿南惟几命第6师团在主力进攻之前，先于9月7日由忠坊，西塘向大云山的中国军队攻击。当时大云山区有第4军1个团和1个加强营、第58军1个加强营。第27集团军总司令杨森没有得到日军向湘北集中兵力的情报，判断日军可能是为“抽调兵力使用于其他方面，乘第6师团集结之机，扫荡我大云山游击根据地”，因而令第4军（欧震）加强大云山的守备，令第58军准备协力第4军的作战。日军第6师团第13联队由西塘东进，突破第4军第102师在鸭婆岭的阵地后，转向南下，攻占甘田、团山坡等要点。其师团主力由忠防南下，击迟第4军第59师的阻击部队以后，分向西进、南下、攻占南冲、白水洞、白屋里、长安桥等地，激战2天，大云山大部地区为日军占领，但其第13联队，则遭到第102师和第59师的围攻。9月10日，日军第40师团到达桃林，接替第6师团。11日，第6师团主力经桃林向草鞋岭转进。第40师团先遣支队（第234联队）在甘田附近，遭第58军新11师的侧击，至当夜，方与第13联队会合。第13联队遂退去草鞋岭与其主力会合。13日，日军第40师团主力向甘田推进，与第58军第10师激战于甘田、马厮赮、团山坡一带，日军第33步兵团（荒本支队）亦加入战斗。直至14日，中国军委会及第九战区仍未判明日军进攻长沙的企图，依然认为“敌企图仅在攻占大云山”，放弃大云山向杨林街以北之甘田、港口方面进攻是“掩护其撤退的动作”。如薛岳14日致蒋介石电称，日军“扫荡我大云山后，南渡新墙河窜扰”，是“以进为退”；又如军委会军令部在第九战区的联络参谋张元祜14日向军委会报告说：目前日军的“态势、兵力部署，似无攻略长沙企图”，因而，未能及时采取有力的应战措施。
9月17日，日军第11军各进攻部队均已进入进攻出发地位。由于接受了第一次长沙会战时兵力分散的教训，阿南惟几将进攻部队“并列部署于狭窄的正面上，以期进行纵深突破”。44个大队及322门火炮展开于新墙河以北仅20公里的正面上。仅派独立混成第14旅第63大队（平野支队）乘船溯湘江南下，进攻青山、营田，以掩护军右侧翼并策应正面主力之作战。各部队进攻出发地位的具体位置为：第4师团、第26旅团位于新开塘以南，第3师团位于乌江桥以南，第6师团、独立混成第14旅团第62大队位于西塘以南，第40师团、第33步兵团位于白羊田附近，9月18日拂晓，日军发起总攻。防御日军主攻方向的第4军，在大云山战斗中己损失甚巨，加以仓促应战，阵地迅速被突破。在兵力、火力高度集中的日军进攻下，守军第4、第20军、第58军根本来不及重新组织防御，分向南和东侧撤退。日军右翼保障支队第63大队在海军护送下，亦于当日在青山强行登陆。这时，第九战区才发觉日军的企图。当晚，薛岳下令，命第37、第99军坚守汨罗江南岸阵地，命第26军进出至金井附近，由东向日军实施侧击。在第27集团军调整部署时，日军己全线进至泪罗江北岸，19日晚和20日，相继渡过汨罗江。20日晨，阿南惟几看到其情报机构破译的薛岳18日晚的命令，当即改变原来的计划，令第6、第40师团向左迂回、包围，歼灭立足未稳的第26军，令第3、第4师团进攻第37军。经过3天的激烈战斗，至24日，被包围于悟口的第26军伤亡惨重，失去战斗力；第37军亦被日军突破防线并快速进出至其阵地后方；处于被包围的困境2个军的残部被迫突围南撤。奉命增援前线的第10军，于22日进至明月山，福临铺一带，立足未稳，被日军包围，其第195师师长重伤，副师长赖侍湘阵亡，部队陷于混乱，伤亡重大，不得不突围南退。当日军围攻守军3个军时，王耀武的第74军奉命增援，第九战区命其推进至捞刀河，重点保持在沙市街。这一命令又为日情报机构于22日获悉，阿南惟几又改变第6师团攻占平江的任务，令其与第3师团协同对付第74军。26日，第74军刚刚到达捞刀河永安市以北地区，即与向长沙奔袭的日军第3师团遭遇。王耀武乘日军立足未稳，采取攻势防御、向第3师团发起进攻。但日军第6师团亦已赶到，加入战斗，并进至第74军以东以南地区，对第74军进行包围。第74军奋勇血战至27日，伤亡已重，当夜被迫南撤。薛岳于26日曾下令反击，但战区主力多遭日军打击，已无力进行战役性反击。第74军被迫撤退后，薛岳于27日下午改变反击的命令，17时下令，命部队向浏阳河一线后退。此时，日军第26旅团已由东北角突入长沙城，29日，第4师团主力进入长沙。当日，第3师团一部突进至株洲城内。
10月1日，日军在完成打击第九战区主力的任务后，即行撤退。第九战区下令追击，日军于10月9日全部撤回新墙河北，转为守势。第二次长沙会战结束。此次会战，中国军队参战主要部队共计35个师（会战中由第六、第七战区调入5个师）、7个挺进纵队、共约37.8万余人，伤亡及失踪7万余人；日军主要参战部队4个师团、1个独立混成旅团、2个支队、共约11.5万人，伤亡6854人。
1941年12月7日，太平洋战争爆发。侵华日军为防止中国军队策应香港方面的作战，先发制人，发动了第三次长沙会战。12月13日，阿南惟几下达进攻长沙的作战预令：“第九战区的兵力，正向广东及桂林方面转用。第23军已于12月12日夜攻占九龙，现正准备继续进攻香港。为策应第23军及南方军作战，立即进行进攻江南的准备。”12月15日，确定12月22日前后开始进攻，计划在泪水两岸击歼第20军和第37军后结束作战。预定作战时间为两周左右，使用的兵力为：第3师团、第6师团、第40师团、独立混成第9旅团和独立第65，第95大队（外园支队）及军直属工兵队、野战重炮兵大队。总计8个步兵联队（共25个步兵大队）、2个骑兵联队、2个野炮联队、2个山炮联队、1个野战重炮兵大队、2个独立山炮大队、3个工兵联队、3个辎重兵联队等，近7万人。
中国第九战区自12月初旬以来，发觉日军调动频繁，向湘北、赣北集中兵力，其飞机不断侦察守军阵地，并抢修白螺机场及南昌机场，判断日军将再攻长沙，遂积极进行战备。第二次长沙会战后，薛岳召开军事会议，总结前两次长沙会战的教训，提出“天炉法”的战法，即在日军进攻的地区内，彻底破坏道路，实施空室清野，设置纵深伏击阵地，诱敌深入，以尾击，邀击、侧击、夹击，使这一地区成为一“天然熔炉”，将日军围歼于内。12月20日，日军进攻企图已极明显，军事委员会下令命第73，第79、第4军分别开至益泪、株洲、渌口地区，归第九战区指挥。薛岳决心“彻底集中兵力于湘北方面，诱敌主力于浏阳河、捞刀河间地区，反攻歼灭之”。为此，作如下部署：杨森副长官驻平江，指挥第20、第58军、第一步于新墙河现阵地韧强抵抗，消耗迟滞敌人，第二步侍命转移关王桥、三江口侧面阵地，自东北向西南侧击、追击南进之敌。第37军在汨水现阵地韧强抵抗，消耗迟滞敌人，尔后转移至社港市、更鼓台、金井间山地，俟敌向长沙进攻时，协同第78军自东北向西南攻击敌人。第99军第一步确保三姐桥、归义、营田、湘阴既设据点阵地及湖防，第二步俟敌向长沙进攻时，以2师自西北向东南攻击敌人，以一部固守营田、湘阴及湖防。第10军固守长沙、岳麓山及水陆洲，待命自西向东反攻敌军。罗卓英副长官由上高进驻济阳，指挥第26、第79军及第194师之作战。第26军第一步确保浏阳现阵地，第二步俟敌攻击长沙时，自东向西攻击敌军；第79军以1师驻株洲，1师占领渡头市、东山既设阵地，第194师由清江进驻醴陵，俟敌攻击长沙时，由南向北攻击敌军。王陵基副长官由修水率第78军及新编第15师进驻平江，第78军第一步确保平江，三角塘，第二步俟敌进攻长沙时，协同第37军自东北向西南侧击敌军。第73军驻宁乡、益阳，为战区预备队。参加这次会战的主要部队（包括后期参加的第74军等），共35个师，约20万人。
1941年12月24日下午，日军第6、第40师团开始进攻，从粤汉铁路至莲溪街分8路强渡新墙河。25日，日军第3师团亦渡过新墙河，分3路向南攻击前进。守军第20军以一部坚守阵地各据点，阻击敌人，主力向东南侧山区转移。守卫傅家冲、洪桥2据点的第398团2营王超奎部及3营吕海辟部，依托工事，顽强抗击，数次击退日军的冲击，最后全部牺牲。26日激战终日。当晚，日军右路第3师团进至归义汨罗江北岸，中路第6师团进至新市汨罗江北岸，左路第40师团进至长乐街。当日，阿南惟几得到情报，说长沙守军兵力薄弱，日军已于25日攻占香港，认为进攻开始以来进展顺利，遂准备渡过汨水后继续南进，攻略长沙。军部参谋认为本次作战目的在于策应香港方面，现香港已占，应按原计划执行，进攻长沙须慎重。阿南没有采纳参谋的意见，向中国派遣军发去进攻长沙的请求电报。27日、28日，日军先后渡过汨罗江。中国守军节节抵抗，尔后向东部及南部山区转移，相机侧击、反击日军。29日，日军第11军仍未收到中国派遣军关于进攻长沙的批复，阿南惟几独自决定改变计划，进攻长沙。当晚下达向长沙追击的命令：令第3师团以快速行动取捷径向长沙追击；令第6师团击破鸭婆山、麻石山附近守军后，主力向榔梨市，一部向长沙追击；令第40师团一部留于涪口附近，主力经麻峰嘴附近向金井追击；令独立混成第9旅团速向关王桥前进，指挥独立第65大队担任军后方汨水以北和左翼山区之警备。30日，守军第37、第99军与日军第40、第3师团激战后，分别转移至东部、西部山区。留置新墙河以南的第20军一部，夜袭日军辎重兵第40联队，将其重创并将其联队长森川启宇击毙。此时，第九战区之第二线兵团已从鄂、桂，粤3省开至长沙地区。蒋介石为防止第二线兵团过早投入战斗，当日电令薛岳：“在长沙附近决战时，为防敌以一部向长沙牵制，先以主力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，一齐向敌围攻，以主动地位把握决战。”薛岳当即下达命令，命已到达长沙四面和第二线兵团，准备向进至“长沙外围之日军，行求心攻击聚歼之”。31日，日军进至捞刀河之线，一部且渡过浏阳河，对长沙采取包围行动。
1942年元旦，日军第3师团首先向长沙东郊、北郊第190师阵地进攻。战斗异常激烈，许多阵地反复争夺，失而复得者数次。日军第3师团直属第2大队，在猛攻南门时，大队长加藤素一所率先头突击中队，除逃回1名士兵外，全部被歼。防守南门外修械所高地的预备10师葛先才团，战至仅剩58人，终于保住了阵地。日军虽处于进攻地位，但由于弹少粮缺，伤亡又大，已是强努之末。1月3日，阿南惟几感到形势危急，再不撤退有被围歼的危险，于当晚被迫下令，4日夜开始撤退。1月4日，日军在撤退前，为隐蔽企图，又对长沙进行一次猛攻，均被守军第10军击退。此时，第九战区的第二线兵团均已到达反攻出发线附近，第79军己接近长沙东郊的榔梨市，第4军已收复长沙南郊的黄土岭、金盆岭等地。4日夜，日军开始退却。薛岳迅即将原来预定在长沙外围歼灭日军的计划，改为由现地实施追击，命罗卓英指挥第4、第26、第73军由南向北追击；命杨森指挥第20、第58军在福临铺一带，由北向南堵击；命王陵基指挥第37、第78军在枫林港以北、长乐街以南地区，从东向西堵击；命傅仲芳率其第99军在石子铺以北、新市以南地区，从西向东堵击；命李棠率其第140师向黄沙街、新墙镇攻击、截击。
日军在第九战区各部队的阻击、追击、侧击、袭击下，撤迟行动极为困难、迟缓。日军第3师团退至浏阳河时，进攻时架设的浮桥已为第79军炸毁，其第18联队企图仍从磨盘洲附近徒涉，遭到第79军的火力集袭，联队长石井信以下伤亡及溺死500余人。第3师团被迫绕至第6师团在榔梨市附近架设的浮桥迟到北岸。汨罗江距长沙不过70公里，至12日，日军方撤至该地。1月15日，日军全部撤退至新墙河北岸原阵地。会战以日军的惨败而告结束。
此次会战，日军战死第18联队长石井信、第13联队长友成敏等军官108名，受伤军官241名，总计伤亡6003人；第九战区伤亡、失踪31万余人。
第三次长沙会战是太平洋战争爆发后，日军在中国战场发动的第一次规模较大的战役。中国军队在长沙的胜利，对国内外都产生了积极的影响。进一步坚定了全国军民抗战必胜的信心，对提高反法西斯战争的盟军的土气，支援英、美军在南方的作战，也起到一定的作用。