薛岳（中）在长沙会战中
在这一战法的基础上，第九战区制订了新的作战计划，以长沙城外新墙河为第一道防线，汨罗江为第二道防线，长沙城外的捞刀河与浏阳河之间为第三道防线。前两道防线是伏击区和诱击区，第三道防线是决战区，即诱敌主力于“浏阳河、捞刀河间地区歼灭之”。随后第九战区从其他战区抽调12个师，这样，长沙附近总兵力达到了37个师，共30万人。
此时，日军第11集团军司令官阿南惟畿制订的进攻湘北的作战构想是：首先以第6师团、第40师团将新墙河南岸的第20军击溃，随后到达的第3师团在第6师团右翼投入战斗，将汨罗江南岸地区的第37军击溃，作战于12月22日开始，两周左右结束。
作战经过
逐次抵抗，诱敌深入
12月24日傍晚，日军在雨雪交加中向岳阳新墙河南岸的中国守军阵地发起了攻击。到26日，日军先后突破中国守军的第一道和第二道防线，中国军队与日军血战对峙的计划并未实现。由于日军进攻顺利，阿南惟畿于29日晚做出决定，放弃原本制定的消耗中国军队作战力量的目的，转为攻城并下达进攻长沙的命令。31日，日军主力先后渡过捞刀河，进入捞刀河与浏阳河中间地区。第3师团、第6师团、第40师团主力分别从东、南、北方向对长沙形成围攻之势。
血战长沙，部署合围
1942年1月1日，长沙攻防战开始。日军3个师团，在几十架飞机投燃烧弹、毒气弹的掩护下，从东、南、北三面猛扑长沙城。日军攻击重点首先在长沙东南面，其次在长沙东北面。预备第10军在岳麓山重炮火力支援下，顽强抵抗。2日，日军强行向城内攻进，守军在炮火支援下坚守，多次击退日军进攻，并歼灭突入阵地之敌。3日，日军2个师团在航空兵的协同下，再度向长沙猛攻。中国守军奋力搏杀，经过三天鏖战，长沙城已失大半，几乎所有据点都反复易手。第10军仍然死死坚守，与日军逐街逐堡逐屋地争夺。至4日，日军伤亡惨重，弹粮将尽，且第九战区调至长沙外围的10个军已从四面包围，进行向心攻击，因此下令北撤。
