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