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。