1941年1月，日寇大本营陆军部会议通过《对华长期作战指导计划》，提出：“至1941年秋季为止，大致保持现在对华压力不放松，以期一举解决‘中国事变’。如果不能达成，则此后在华日军转入长期持久战的态势，主要任务是维持治安，肃整占领地域。”
制定此计划的是时任陆军大臣的畑俊六，以及他的副手、陆军次官阿南惟几。二人为落实自己制定的计划，被日寇大本营于1941年4月分别委任为中国派遣军司令，及日寇在华唯一野战兵团第11军司令。
1941年6月，到任不久的阿南惟几要求第11军参谋人员拟定对第9战区的作战计划。期间德国于6月22日入侵苏联，日寇大本营一度计划向苏联边境地区增兵，待苏德双方出现最有利于日本的局势时出兵远东。并据此向中国派遣军下达命令，要求抽调其8个师团准备对苏作战，其中5个为立即抽调师团，3个为预备抽调师团，第11军所属第4、第6师团被定为即调师团，另有2个师团为预调师团。受此干扰，第11军对第9战区作战不得不暂时取消。
8月21日，日寇大本营正式放弃对苏作战企图，随后同意第11军继续实施对长沙的“赣湘作战”。9月1日，日寇大本营正式下达作战命令。
国民政府方面，无论是第9战区司令长官薛岳，还是国民政府军事委员会委员长蒋介石都对战局表达了乐观的情绪，1941年9月，美日谈判还在进行，尽管不少人认为两国之间有妥协的可能，从而达成“东方慕尼黑协定”，但蒋介石判断双方绝不可能和解。他在日记中写道：“英美苏在远东对日本包围之势已成，中国苦战亦已脱离险境，而‘德意倭’三国同盟果已实现，此在抗战与国际形势上于我求之不得者，抗战必胜之局已定矣！”
薛岳在其授权撰写的回忆录《薛岳将军与国民革命》一书中，也记录道：“当时日美谈判已陷入僵局，随时有爆发美日战争的可能，兼之英美援华行动亦日益积极。相反，日寇正徘徊于南进与北进歧途中，尤深恐我军乘机反攻，不惜孤注一掷，纠集南北战场之精锐，大举进犯，企图消灭我野战军，以阻止我军反攻。”
以上可以看出，国军统帅及前线主将在战略上已经认为日寇必败，这倒也无可厚非，但是作为战区司令长官，薛岳在战术上也轻视对手，则必然招致大祸。
据第9战区参谋处处长赵子立回忆：“第二次长沙会战仍是根据1939年春策定的作战计划来指导……即便如此，也没有按照当时的计划严格执行。”
作为拱卫抗战大后方的战区统帅，薛岳并没有对日寇新任第11军司令阿南惟几指挥作战特点加以研究，仍然按照第一次长沙会战模式，确定了第9战区的作战计划。
除战前没有仔细制定作战计划外，第9战区对日寇欲实施作战的企图也非常麻痹。8月13日，日寇向岳阳增兵，国民政府在获取此情报后致电第9战区，薛岳经查实回复军事委员会：“查该敌前似扰乱秋收企图，因我防备严密，岳阳方面至今敌未敢轻动。”
8月16日，第9战区获悉日寇可能发动进攻的消息。但薛岳仍坚持认为“敌目的在扰乱及夺粮，并无真正攻击企图”。9月7日，日寇第6师团开始向第9战区大云山阵地进攻，揭开第二次长沙会战序幕，而薛岳在次日致电蒋介石的电文中表示：“判断战区当面之敌，除以少数兵力向我扰乱外，仍无大企图。”直到9月18日，日寇在湘北向第9战区新墙河全线发起进攻，薛岳才如梦方醒，而此时第9战区在湘北仅有16个师，按照当时保守的计算，日寇2个大队的战斗力可对标中国军队1个师，日寇如出动32个大队即可与国军实力相当，而日寇此次投入进攻共步兵45个大队，战斗力是国军的1倍半，另有炮兵26个大队和2个飞行团一同参战。
我们把时间拨回到会战之前，了解一下双方具体的作战部署和兵力配置。
第9战区指挥部认为：日寇有可能仍然像第一次长沙会战一样，以一部分别在赣北、鄂南方向发动牵制性进攻，主力沿新墙河直驱长沙。国军的应对方针是将有力部队部署于新墙河防线纵深，日寇一旦突破新墙河，则诱敌主力至汨罗江南岸，反击而歼灭之。据此，战区将所属第27集团军（杨森部）、第30集团军（王陵基部）、第19集团军（罗卓英部）担任湘北、鄂南、赣北方向防御，第37军（陈沛部）、第26军（萧之楚部）、第10军（李玉堂部）集结于战区纵深，伺机发动反攻。
日寇第11军的兵力部署则吸取了上次会战兵力分散的教训，决定将兵力、火力全部集中在湘北方向。战役预计分为三个阶段，首先突破第9战区新墙河防线；然后迅速抵达汨罗江，在长沙以北对国军实施围歼作战；上述两项达成后，则向株洲、浏阳一线追击，摧毁国军根据地，转而返回战役出发地岳阳。作战的主要目的是歼灭国军有生力量，不以夺取要地为首要目标，并严格遵守日寇大本营明确的10月中旬完成全部作战。
为此，日寇集中第3、第4、第6、第40师团主力，另有第13师团所属4个步兵大队和2个炮兵大队组建的早渊支队、第33师团3个步兵大队和1个炮兵大队组建的荒木支队、第14独立混成旅团各一个步兵大队和一个炮兵大队组建的平野支队、江腾支队。此外，第11军直属装甲、炮兵、工兵数个联队，以及空军2个飞行团一同参加此次会战。
借此机会，我们了解一下日寇师团的演变历史。日寇陆军脱胎于幕府时代，后期效仿普鲁士军事制度建立师团制。1888年，日寇按地域划分的“镇台”改编成6个师团和1个近卫师团。每个师团下辖2个旅团，旅团下辖2个步兵联队，师团还编有炮兵、辎重、骑兵各1个联队。这七个师团被日寇陆军内部视为一等师团。随着日寇对外军事扩张，又陆续成立了第7至第20师团，这14个师团被视为二等师团。以上21个师团被称为“常设师团”，战斗力普遍比较强悍。
除了常设师团外，日寇将退役陆军军官按地域编为预备役，除每年定期组织训练外，就地设置武器装备库，临战时就可以迅速组建新师团。这些师团基本与常设师团对应，例如日寇第6师团改编于“熊本镇台”，在编成预备役部队时，熊本地区组建的预备师团就命名为第106师团。此类师团日寇内部称为“特设师团”，被视为三等师团。
中国抗战全面爆发后，日寇又不得不扩展兵力规模，这次采取的方式是从常设师团中抽取一个步兵联队作为基干，在征集补充新兵后组建新师团，并依次编为第21~57师团。这类师团不同于以往师团编制，不设旅团，而是采用“三联队制”，师团直辖联队，这类师团在日寇内部被称为四等师团。
在第二次长沙会战中，日寇第11军中的第3师团、第4师团（大阪师团）、第6师团属于一等常设师团，第13师团属于二等常设师团，第33、第40师团属于四等师团。
大云山位于新墙河以北数公里处，海拔960米，树木茂密，是一个理想的藏兵之所，也是第9战区重要的前哨阵地。1941年9月7日，日寇第6师团为掩护第11军主力于岳阳、临湘地区集结，向中国守军第27集团军第4军（欧震部）所部大云山阵地攻击。集团军司令杨森获悉日寇攻击消息后，即命令第58军（孙渡部）增援第4军。9日，日寇第6师团攻占大云山，随即赶往岳阳集结，将该处防御任务交给第40师团。国军第58军第10师趁日寇换防间隙收复大云山，但未能发现第6师团已经撤离战场。此后经薛岳同意，杨森又将第37军1个师调往大云山方向，与日寇混战数日，至9月15日，杨森得知日寇在岳阳集结有数万之众，判断其可能有更大的行动，遂一边向战区报告，一边命令第20军紧急前往新墙河一线增援。
9月17日夜，日寇完成集结，按照事前作战计划，将4个师团及早渊支队、平野支队一字排开，准备次日开始进攻。在日寇对面的新墙河守军防线，是国军第4军、第58军，纵深是第37军，由于大云山日寇提前发起牵制性进攻，上述3军有4个师正在大云山一带作战。因此，守军兵力处于绝对劣势。
9月18日拂晓，日寇开始全线攻击，在炮火和空中支援下，国军第4军第102师防线首先被突破，整个新墙河防线全线告急。杨森随即下令各部退至预备阵地继续阻敌南进，并命令第58军南下对日寇实施侧击。当天下午，日寇突破国军新墙河第二道防线，大量日寇涌向汨罗江北岸。
按照第9战区预先制定的作战方案，薛岳命令第99军、第37军、第26军、第10军、第74军迅速赶往预定地域，准备于汨罗江以南三姐桥、金井以北地区反击日寇。此时，进展顺利的日寇也获得情报，国军第9战区正在汨罗江南岸大量集结兵力，行动异常频繁，第11军作战参谋岛村提议调整作战部署，将“中央突破”改为“两翼包围”。阿南惟几命令部队在弄清国军行动后，再执行下一步进攻部署。
就在双方调整部署时，日寇无线电侦听部队侦获到薛岳的会议指导方案，即第9战区的反击方案。在得到空军侦察的进一步确认后，阿南惟几立即调整部署，各师团除一部固守现有阵地外，第6、第40师团从湘江方向改为迂回第9战区右翼的瓮江方向攻击前进，第3、第4师团则渡过汨罗江向第9战区左翼麻封嘴、栗桥方向前进，力图于捞刀河北岸与汨罗江南岸之间歼灭第9战区主力部队。至此，第二次长沙会战由此前的阵地攻防战逐渐演变成多个方向的机动遭遇战，尤以第37、第26、第74和第10军的战斗最为激烈。
9月20日，日寇陆续渡过汨罗江，并将正面逐次推向第9战区右翼。
首先与日寇遭遇的是第37军（陈沛部），该军以汨罗江为天然屏障防守战区第二道防线。日寇于20日强渡该河，在猛烈炮火的支援下，突破第37军前沿阵地，逐渐逼近守军主阵地。22日，日寇第4师团向第37军主阵地正面攻击，第3师团一部则迂回该军第95、第99师右翼，双方在马头岭、伍公市、新市、骆公市附近捉对厮杀。至24日，第37军伤亡甚重，多处阵地被日寇突破，第9战区命令第37军向麻市突围。
第26军（萧之楚部）奉第9战区指挥部命令，于21日抵达瓮江一线，随即遭遇日寇第6师团主力优势兵力的攻击，日寇以一部对该军第44师右翼迂回。第26军针锋相对，命令所属第32师也向日寇后方迂回。在行进间第32师却遭遇日寇第3师团后续部队，双方爆发激战，第32师伤亡较大遂退回。此时，第26军的3个师有陷入包围的危险，薛岳遂令第26军后撤至蒲塘，组成环形阵地防御，继续阻击日寇。24日，日寇第40师团一部也加入对第26军的攻击，并于25日突入该军阵地，萧之楚只好命令部队向更鼓台、石湾方向突围，会和平江南下的第72军继续作战。
21日晨，日寇再次侦获第9战区发给第74军（王耀武部）的作战电报，得悉该军正赶往汨罗江南岸三姐桥、金井一线阻击日寇。在第二次长沙会战期间，原隶属第9战区的第15集团军已经大部分调往其他战区，在第9战区国军嫡系精锐部队并不多。日寇以歼灭第9战区有生力量为目的的第二次长沙会战，对第74军等国军嫡系部队极为重视。所以，阿南惟几再次调整原定计划，命令第6师团主力向捞刀河河谷转进，切断第74军退路，第40师团进至沙市以南截击第74军。25日，王耀武率第74军抵达湘北战场，先头第57师占领赤石河、春华山，以掩护军主力集结和展开。随后第57、第58师即与日寇展开激战。为确保长沙城安全，王耀武在明知日寇意图的情况下，仍命令各师于26日向日寇发起反击。
此后，因该军行动完全被日寇掌握，所部反击处处受制。在第57师正面，是日寇第3师团和第4师团一部。在日寇优势兵力的夹击下，该师当天即伤亡3000余人，师长余程万被迫收缩兵力，据守既得阵地。第58师攻占春华山后，遭日寇第6师团主力和第3师团一部攻击，日寇拥有空中火力优势，第58师前线阵地损失殆尽，守军伤亡惨重。至27日下午，春华山防线崩溃。此时，第51师（李天霞部）迂回至春华山以北，欲攻击第6师团侧背，但与赶来的日寇第4师团一部遭遇，随即被击溃。27日夜，日寇从第51、第57师结合部突入，直奔第74军指挥部，幸得军部警卫连拼死抵抗，军长王耀武得以脱身。至此，第74军亦撤至浏阳河南岸。
最不幸的是第10军，该军番号原属于黔军部队，在蔡锷发起护国反袁战争中崛起，以吃苦耐劳、作战勇敢著称。在武汉会战期间，该军前身第8军因力阻日寇第101、第106师团于南浔路，赢得“泰山军”称号。此后在南昌会战和第一次长沙会战中也有上佳表现。9月24日，第10军在军长李玉堂的率领下抵达金井一线。其行动同样被日寇在该军与第9战区指挥部往来电报中获悉。所以阿南惟几抽调出一部分原计划围歼第74军的兵力，全力围攻第10军。第10军尚立足未稳，其第10军军部和各师部就遭受日寇袭击。军长李玉堂率领特务营边打边向西北方向转移；预备第10师（方先觉部）则在金井西北沿河阵地遭遇日寇骑兵部队偷袭，师部与各团一度失去联系。至26日，预备第10师已经伤亡过半，阵地被日寇突破，方先觉命令部队撤退。第190师也在行进中遭遇日寇伏击，师长朱岳负伤、副师长阵亡，部队失去指挥，各部只得被迫南撤。第3师的遭遇也大体相同。至此第10军全线溃退，主力撤往榔梨市集结。
在第二次长沙会战第二阶段的遭遇战中，上述4个军战损均超过10%。其中第37军第50师战损超过50%，第140师战损30%；第26军第44师战损24%；第10军第3、第190师战损分别为35%和28%。通常认为，战损达超过20%时，即可视为部队实力损失过半，由此可见上述部队损失的严重。
第9战区的反击部队在尚未形成合力之时，就已经被日寇击破，长沙门户洞开。9月25日，各部与日寇激战之时，薛岳命令第9战区长官部撤出长沙，移驻湘潭。
日寇第11军在击破汨罗河南岸国军各部后，阿南惟几下达了进攻长沙的命令，此时在长沙城内，只有从第6战区赶来增援的第79军第98师和暂编第2军的1个旅。在战线西端的日寇早渊支队于9月27日突入长沙城东北角，并与守军第98师激战，当晚全部进入长沙城，与同样刚入城增援的国军第79军暂编第6师展开激战。9月29日，日寇第4师团一部也进入长沙。第3、第6师团则南下逼近株洲，当天下午，日寇第3师团冲入株洲，将城内军事设施全部毁坏，尔后撤离。
至此阿南惟几认为已经达到作战目的，而且日寇连日作战，粮弹损耗巨大，战线过长，后勤保障困难，遂决定结束作战。30日，日寇逐次分别向长沙、金潭、镇头市、北盛仓集结，10月1日开始撤退。
军事委员会在得知日寇退却的情报后，命令第9战区∶“立即开始追击，相机收复岳阳……牵制敌人向北转移，使五、六战区作战有利。”第9战区即以第79军向长乐街、新市方向跟踪追击；第58军向关王桥、第72军向杨林街方向实行超越追击；令原留置日寇侧后的第4、第20、第99军在马鞍铺、青山市、麻封嘴、金井一带截击日寇，令第26、第74、暂编第2军清扫浏阳河、捞刀河间战场。10月1日至5日，第9战区拦截部队与日寇在汨罗江以南地区展开激战，颇有斩获。
10月5日，日寇突破第9战区的拦截线，北渡汨罗江继向新墙河以北退却。6日，第9战区追击部队渡过沿罗江，8日越新墙河，日寇退守原阵地，中国军队恢复原阵地，至此第二次长沙会战结束。
此战，由于第9战区麻痹轻敌，加上日寇破译第9战区作战计划，致使此战中国军队伤亡惨重（各方统计数字差距较大，估计伤亡超过5万人），但中国军队在被动情况下，也毙伤日寇2万余人。
