淞沪会战后，蒋介石特意嘉奖20军，杨森也被蒋介石提升为第27集团军总司令，调往安庆补训，归第五战区司令李宗仁统辖。

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长沙会战屡建奇功

1939年9月，第一次长沙会战爆发。刚刚做完急性阑尾炎手术的杨森被一封接一封的上级探问病情的电报送到医院。杨森知道这是前线战事紧急的原因。不顾伤口尚未完全愈合，便以最快速度赶往长沙，率27集团军接受保卫长沙的任务。在杨森的27集团军中，20军是这个集团军的基本部队。9月27日，杨森派134师急行军赶至南楼岭，白沙岭，苦竹岭一带阻击日军。先头部队李麟昭团在白沙岭刚布好防御，夺路南下的敌先头部队拼命进攻，我军坚决抵抗，战斗非常激烈。敌先头部队被打退，日军一高级指挥官被我击毙。从这名日军指挥官的图囊中发现了敌人此次作战的军事地图，图中标明日军33师团的主攻方向由北而南从南楼岭攻白沙岭(龙门镇以北)，再攻龙门镇，从侧背面迂回包围长沙。李麟昭火速将情况报告杨森，杨森立即召开军，师长会议，改变原由西向东的军事部署，调遣部队由南向北分头抗击敌人。第二天，79军和20军对日33师发起猛攻，日军遭重创，杨森的这一战术改变，奠定了第一次长沙会战胜利的基础。

日寇依仗其良好的机械化装备，在空军掩护下强渡新墙河，突破我军防线，即迅疾向长沙进扑。我军主力部队乘势予以阻击。被突破防线的罗奇、杨汉域等部队有计划地退入公路和铁路两侧附近山区，对日寇实施侧击。并袭击其后续部队及交通运输补给。杨汉域所率20军担任阻击由通城向长沙进犯之敌，在南楼岭、白沙岭、朱溪厂、龙门、长寿街一线紧紧缠住敌寇，配合其他部队进行侧击和夜袭。日寇空军夜间无法活动，敌后援部队和补给运输严重受挫，不得不又撤回到新墙河以北及通城、崇阳等原防地。撤退途中又不断遭到公路铁道两侧以及尾追的我军炮火猛烈轰击，敌寇伤亡严重。这就是当年的第一次长沙会战，也称湘北会战。杨森对第一次长沙会战胜利的意义作了一个概括，他认为：“第一次长沙会战使当时中国军队节节败退的战局顿然改观，骄横不可一世的皇军士气大挫，而侵略者的参谋本部更急于研究斯役胜败关键，延缓了进军速度，而长沙第一次大捷最重大的收获，厥在全国人心鼓舞，否定了日军不败的悲观论调。抗战前途，重新显露最后胜利的曙光。”这次会战后，杨森升任第九战区副司令长官兼第27集团军总司令。