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1941年12月8日，日軍發動了太平洋戰爭。中國派遣軍駐廣州的第23集團軍，由廣州進攻香港[15]。為了配合英、美積極打擊日軍，國民政府軍事委員會於9日命令各戰區發起攻擊，牽制日軍，策應友邦作戰。特令第4戰區攻擊廣州方面日軍，策應香港英軍作戰；並以第5、第6、第66軍分別由廣西、四川向雲南集結，準備入緬直接援助英軍作戰。日軍第11集團軍為策應其第23集團軍及南方軍的作戰，牽制中國軍隊向廣東方面轉移，遂決定再對長江以南發起進攻。
1941年12月10日，日本“中國派遣軍”根據大本營12月10日的“大陸命”第57號命令，向侵華日軍下達了“總作命”甲第320號命令1941年12月15日，日軍第11集團軍在會戰指導方案中規定：向汨水一線進攻，並擊潰當面之敵，以策應第23集團軍攻取香港及南方軍的作戰。作戰時間限定在兩週左右。使用於湘北主作戰方面的兵力為第3、第6、第40師和獨立混成第9旅以及澤支隊、野口支隊、外園支隊，另以第1飛行團（飛機54架）支援作戰。同時命令駐南昌方面的日軍第34師、獨立混成第14旅向贛北上高、修水等地攻擊，策應湘北方面作戰。
中國第9戰區於1941年11月召開了“第二次長沙會戰檢討會議”，薛嶽根據前兩次長沙會戰的經驗教訓創立了“天爐戰法”，具體實施步驟是徹底破壞道路，在中間地帶空室清野，設定縱深的伏擊地區，誘敵深入，將敵圍而殲之的後退決戰方針。依此方針，第9 戰區制定並頒佈作戰計劃，要求在湘北方面，“應運用尾擊、側擊及正面強韌抵抗，務於瀏陽河、撈刀河間地區，將進攻長沙之敵軍主力，反擊而殲滅之”。
1941年12月中旬，日軍向岳陽方面集結兵力，國民政府軍事委員會判斷日軍攻勢即將開始，遂於12月20日命令第73軍由澧縣立即向寧鄉、益陽集結待命，第79軍立即向淥口、株洲地區集結待命。又令第4軍由廣東曲江調株洲、淥口，第74軍由廣西宜山調駐衡陽。同日，第9戰區決心集中兵力於湘北方面，誘致敵主力於長沙城北的瀏陽河、撈刀河之間地區，反包圍殲滅之。贛北方面，新編第3軍、預備第5師、江西保安縱隊等部守備高安、武寧一帶現有陣地，掩護戰區主力之右側。鄂南，王勁修指揮所部切斷崇陽、蒲圻、咸寧一帶敵公路鐵路。
1941年12月23日，日軍第40師團一部向守軍第20軍油港河以南陣地攻擊。24日，新牆河下游因降雨水位上漲，日軍第6師團向守軍第20軍第134師新牆河陣地實行渡河攻擊。入夜，日軍渡河後，以一部圍攻守軍據點，主力分向大荊街、關王橋之線突進。日軍第3師團主力在其第6師團後方跟進。第20軍奉令以一部堅守新牆河以南據點，主力向大荊街轉移。第58軍進出洪源洞、大荊塘之線，側擊南進日軍。
1941年12月26日，日軍第40師團猛攻第20軍陣地，陷關王橋及陳家橋，同時日軍第6師團圍攻守軍黃沙街、龍鳳橋據點，第3師團主力於當夜推進至歸義附近汨羅江北岸。同日，第9戰區命令第27集團軍以第20軍及第58軍進攻長樂街之敵，令第37軍及第99軍主力固守汨羅江南岸陣地，阻敵渡河。
1941年12月28日，日軍第6、第40師分別在新市東方、長樂街附近強渡汨羅江，被第37軍阻止。日軍第3師主力在歸義以西渡過汨羅江，第99軍主力被迫後退至牌樓峰、大娘橋、新開市之線 ，逐次抵抗。第37軍第140師由金井向新開市北側地區馳援，阻敵東進，但受到日軍第3師團從左側的威脅，日軍第6、第40師團乘勢在新市及長樂街附近渡過汨羅江南進。入夜，第37軍扼守新開市亙汨羅江南岸之線，與日軍激戰。第99軍主力在營田、大娘橋之線與日軍第3師團一部對峙。12月29日，日軍第11集團軍司令官阿南惟畿改變原定計劃，獨斷地下達“以主力向長沙方向追擊”的命令，令第3師團迅速向長沙攻擊；第6師團以一部攻擊長沙，主力攻擊長沙以東之朗梨市；第40師團主力向金井進攻。驟然改變作戰計劃，使已久戰疲憊的日軍第一線官兵處於茫然狀態，有的高階軍官也認為進攻長沙是“自暴自棄之作戰”1941年12月30日，在第37軍與日軍主力激戰於新開市、鴨婆尖、浯口一帶之際，第27、第30、第19集團軍分別到達瀏陽、平江一帶預定位置[47]。
第9戰區決心在長沙地區與日軍決戰，遂令第10、第73軍固守長沙；令第19、第30、第27集團軍及第99軍主力，分由株洲、瀏陽、更鼓臺、甕江、清江口、三姐橋各附近，以長沙為目標，自南、東、北三個方向作求心攻勢。
1941年12月31日晨，日軍第40師團猛攻第37軍陣地，激戰至午，第37軍轉移至金井東北山地，日軍第40師團主力向金井突進。其第6師團師乘第37軍向東轉移由福臨鋪向朗梨市突進 ，第3師乘夜在東山附近強渡瀏陽河進抵長沙近郊。第9戰區以日軍已逼近決戰地區，遂令各集團軍於1942年1月1日子夜開始攻擊前進。
1942年1月1日凌晨，日軍第3師團開始向長沙東南郊陣地攻擊。2日，日軍第6師團集結於朗梨市，並以一部協力第3師團進攻長沙。當日，第10軍堅守長沙城郊陣地，在嶽麓山重炮火支援下，擊退了日軍的反覆突擊，並將突入白沙嶺的日軍第3師團一部殲滅。第9戰區令第73軍以第77師渡湘江進入長沙，增援第10軍。此時，處於外圍的中國軍隊正隱蔽地從三面向長沙推進。
1942年1月3日，日軍第6師團全部加入戰鬥，與其第3師團合力猛攻長沙。激戰竟日，日軍攻勢屢興屢挫，彈藥將盡，而補給線已被切斷，日軍開始空投補給。中國軍隊各包圍兵團，繼續壓縮包圍圈，已逼近長沙。
攻擊長沙不逞，背後又出現包圍的情況下，阿南惟幾被迫於3日晚下達了“反轉”命令。4日，長沙城外日軍再次發起全線攻擊，但在守軍的頑強抵抗下，又一次受挫，日軍第3、第6師團於4日晚乘夜色脫離戰場，由長沙城外分別向東山、朗梨市撤退。第9戰區在獲知日軍退卻後，立即命令原準備在長沙附近合圍日軍的部隊改為堵擊、截擊和追擊日軍，在汨羅江以南，撈刀河以北地區將其殲滅。5日，日軍集中第1飛行團飛機50餘架，掩護退卻，第6師團退向朗梨市；第3師團開始退卻時，在長沙東南郊金盆嶺、清水塘、石馬鋪一帶，被我第4軍截擊，傷亡慘重，退至東山附近時，又遭第79軍截擊，被迫沿河堤退往朗梨市，隨第6師團之後，在該地架設浮橋渡河，撤至瀏陽河東岸。
1942年1月5、6兩日，日軍第3、第6師團於長橋、牌樓鋪、高橋地區，遭第26軍及第79軍的截擊，死傷甚多，7日夜突圍退至撈刀河北岸。第40師團於7日由春華山經羅家衝向學士橋退卻。8日晨，日軍由撈刀河北岸繼續北退，沿途遭第9戰區追擊部隊攔截側擊。9日，日軍主力在其獨立混成第9旅的策應下，由福臨鋪北撤。日軍一面抵抗，一面繼續向汨羅江以北退卻 。
至1942年1月12日，日軍退過汨羅江北岸，才稍事收容。第9戰區各追擊部隊跟蹤追至汨羅江南岸，並以一部渡過汨羅江向長樂街以北進行超越追擊。15日，日軍退過新牆河，固守原陣地，第9戰區所部，一面掃蕩新牆河以南殘敵，一面向新牆河以北進擊。至16日，恢復會戰前原態勢。
在贛北方面，日軍第34師團與獨立混成第9旅各一部，於12月25日，分由安義、箬溪等地向西攻擊，先後佔領高安、武寧，但在守軍奮勇阻擊下，於1942年1月6日前，恢復原態勢。
這次會戰雖然獲勝而並未能按照計劃全殲日軍或殲滅更多日軍，但得到了國際輿論的普遍稱讚。這 一次會戰是中國軍隊在日軍突襲珍珠港後在中國戰場上的第一次攻勢，也是同盟國在太平洋戰爭初期一連串失敗中首開勝利的記錄。鼓舞了人心，堅定了中國人民抗日的決心。促使美國援華方案的迅速實施，也促進了包括中國在內的國際反法西斯統一戰線的迅速形成。使得中國國際地位的提高，迫使美英等國自動放棄自1840年鴉片戰爭以來在中國取得的各種治外法。