11、第12旅团等部队编为武汉防卫军。第11军司令官横山勇率8个多师团及配属的炮兵、战车部队共36.2万人、军马6.7万匹、火炮1282门、战车103辆、汽车9490辆，以长沙、衡阳为目标，准备发动打通大陆交通线的第二阶段的进攻作战。另有第5航空军第1飞行团（6个飞行战队，2个飞行中队）约160架飞机支援作战。5月25日，洛阳失守的当天，日中国派遣军总司令官烟俊六到达汉口，亲自指挥这次会战。作战开始前，将兵力区分为两线：第一线5个师团，展开于华容、岳阳、崇阳地区，第40师团在湘江东，第116、第68、第3、第13师团在湘江西；第二线3个师团，第34师团集结于蒲析附近，第58师团集结于监利附近，后续之第27师团集结于蒲圻以北铁路沿线。

    第九战区当时主要作战部队有3个集团军，10个军。会战开始前后，军委会又从第三、第六、第四战区调来7个军。总计参加会战的兵力为52个步兵师，约50余万人。另外有中美空军轰炸机68架、驱逐机113架支援作战。第九战区与日军第11军在湖南已有3次作战经验。战区司令长官薛岳发觉日军有进攻长沙企图时，仍按以往的方针，以一部兵力利用新墙河、汨罗江及洞庭湖两岸之既设阵地，节节抵抗，迟滞其前进，主力则分别集结于创阳、长沙、衡阳及湘江以西之要地，诱敌进入重兵地区，进行包围、分割，予以歼灭。其部署为：第1集团军警备梁家渡、市汉街、高安、奉新、靖安之线。新10师控制于樟树，新11师控制于分宜。第30集团军警备武宁，九宫山、通城，九岭之线。新15师控制于修水，第27集团军警备黄岸市、新墙、鹿角、磊石山之线。第133师控制于长乐街；第99军任营田、湘阴、芦林潭、沅江、汉寿一带江防、湖防。战区直辖部队，第37军一部警备阳罗江，主力集结于瓮江、浯口，第4军警备长沙，第44军集结浏阳，暂2军集结株洲、渌口，第10军集结衡山、衡阳。

    日军为求吉利，选择其海军在1905年在对马海峡战胜沙俄海军的5月27日（日本海军节）发动进攻。1944年5月27日拂晓，日军分3路南下：左翼第3、第13师团由崇阳地区进攻，突破第72军阵地后，于6月1日攻占平江，又击退第58军及第44军的部队，于6月14日攻占浏阳；右翼第40师团。由华容地区进攻，突破第99军防线后，于6月5日攻占沉江，12日占领益阳，16日与第58师激战于宁乡；中路第68、第116师团由岳阳地区进攻，迅速击退第20军一部渡过新墙河，31日再渡泪罗江，6月8日攻占湘阴，10日强渡浏阳河，15日攻占株洲，对长沙形成包围，此时，第2线3个师团亦已投入战斗，16日开始，第34师团及第68师团第57旅团猛攻岳麓山，第58师团攻击长沙城。防守长沙城及岳麓山的第4军3个师依托既设阵地，抗击至18日晨，军长张德能放弃长沙退走永丰，得突围者仅2000余人。

    为了策应日军第11军作战，中国派遣军令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队不向湖南调动。6月10日，沿铁路两侧攻击前进。12日攻占龙游。以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗，第105、第145、第146师亦投入反击。日军驻金华的独立步兵第104大队增援后，守军退守衢州城。6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。守军撤退至衢江，因船只下足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭、伤亡甚大。日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军、反而损失1000余人。看来，仍是保存实力思想造成的，日军第70师团占领衢州后，认为牵制任务已经完成