全面抗战前，民国时期著名军事战略家蒋百里就提出过“三阳线”国防防御地带主张，即以洛阳、襄阳、衡阳为基点的“三阳线”将中国分为东西两个地带，以东采取空间换取时间，消耗、疲惫敌人的战略；以西采取大纵深的防御，积蓄力量、坚持持久抗战。他的理由是：与工业国家不同，中国作为相对松散的农业国，没有要害可抓，即使最重要的沿海地区被占领，其他地区足以支持持久抗战。
长沙就处在这条“三阳线”上。它位于湘中丘陵地区，洞庭湖南端，北面有浏阳河、新墙河、汨罗江三条大河，东面有幕埠山、九岭、万洋山屏障，西、南山脉纵横，构成天然的持久抵抗地带。抗战时期长沙隶属第9战区防御范围，中日双方在此共进行了三次会战，在1944年的豫湘桂会战中长沙沦陷。
在第一次长沙会战前，国民政府军事委员会曾经制定了两套作战方案。一套由副总参谋长白崇禧拟定，他认为：“武汉地区的日寇（第11军）分驻长江江南、江北，与中国军队第5战区和第9战区重兵对峙，能够执行赣湘会战（即长沙会战）的兵力不会超过其现兵力的半数，加上始终受到江北中国第5战区的威胁，在湘赣用兵不会太久。为确保歼灭南面之敌，应扩大战场范围，分散敌军和拉大敌人后勤补给线，待敌军劳师疲惫之时，发起反击以歼灭。”
据此，白崇禧主张在会战时，第9战区可且战且退，必要时放弃长沙，在衡阳一带正面对敌实施反击，以幕埠山、九岭潜伏的国军西进，遮断日寇陆上和水上退路进行截击。同时，在会战期间第5战区所属部队应对日寇发起牵制性作战，防止日寇对长沙作战前线增援。
军事委员会政治部部长兼第9战区司令陈诚（1938年10月1日由薛岳继任战区司令）对上述作战方案基本赞同，两者的区别是不赞同放弃长沙。他认为：“日寇进攻长沙的目的是打通粤汉铁路，敌一旦得逞就能北接平汉、平绥、中长各线，连接南方的广九、湘黔铁路，纵贯中国南北的铁路大动脉将全部落入敌手，这样日寇就可以更便捷、快速地机动，对后续作战影响巨大。”
所以他主张：“把决战的战场设定在长沙以北，正面在长沙以北的新墙河、汨罗江逐次抵抗消耗敌人，尔后分别撤退到东、西两侧。正面退却限制在捞刀河一线阵地，届时国军发起正面反击，东、西两侧对日寇实施侧背攻击，最终将日寇聚歼于长沙以北。”
时任第9战区代司令长官薛岳赞同陈诚的主张，他进一步提出：“湖南是第二期抗战依托，从目前敌我战略态势看，必须固守长沙才能屏障西南。否则敌锋直指西南，必动摇国家抗战大局。此外，支撑第二期抗战军需民粮极为重要，在东部大片国土沦陷下，保有湘北与洞庭湖，方能足食足兵。弃守长沙不利民心士气，对今后粮食兵员影响甚巨。”
经过左右权衡，国民政府军事委员会决定采纳陈诚和薛岳的意见。
在确定了作战原则后，薛岳和参谋人员开始研究具体作战部署方案。薛岳提出：“日寇可能采取的行动不外乎三种，相应地，第9战区的应对也有三种。第一种是日寇全力由湘北进攻，则应在长沙以北捞刀河下游地区与日寇决战；第二种是日寇在湘北和赣北同时进攻，国军应在长沙东北地区和赣北上高地区与敌决战；第三种是日寇全力向长沙西北的常德进攻，尔后南下衡阳，截击长沙退路，国军应力保常德。”
事后验证，日寇在第一次长沙会战的进攻方向是第二种，第二次和第三次会战时的进攻方向是第一种，第四次进攻的方向是第三种。
在兵力部署上，第9战区共下辖卢汉的第1集团军、关麟征的第15集团军、罗卓英的第19集团军、商震的第20集团军、杨森的第27集团军、王陵基的第30集团军及樊松甫的湘鄂赣游击纵队，共计47个师，参加长沙会战的共32个师另3个挺进纵队共24万余人。其中，第19集团军司令罗卓英兼任第9战区前线总指挥，具体负责赣北方向作战。
1939年8月15日，日寇第11军制定了《江南作战指导大纲》，开始调集部队。此时第11军虽然有7个师团、1个独立混成旅团和1个骑兵旅团，但从战场态势上该军孤军深入，所占据的武汉地区受第1、第3、第5、第9战区国军环形包围和威胁。至少需要一半的兵力担负占领区的警备任务才能确保不至于丢失占领地。为此，第11军司令冈村宁次并没有把会战的目标定为夺取长沙，而是计划“通过多轮逐次用兵，达到挫伤国军抗日意志，迫使国民政府屈服，促进汪伪政权出笼”。本次会战日寇则企图围歼国军中的精锐部队－第15集团军。
具体的兵力部署是分为东、西两路三个方向进攻，西路为主攻，分为湘北及鄂南两方向；东路为辅，进攻方向为赣西北，以牵制国军转赴湘北方向作战。参战兵力约为4个师团，除第6、第33、第106师团外，第3、第13、第101师团各抽调一个步兵联队和一个炮兵大队分别组成上村支队、奈良支队和佐枝支队。
担任主攻的西路湘北方向由左翼第6师团和奈良支队承担，向国军防御的中枢地区进攻，右翼的上村支队沿洞庭湖经水路南下，在营田登陆；
西路鄂南方向由第33师团承担，企图绕过新墙河，向粤汉铁路东侧的国军防御区域进攻，随后向西旋回，与湘北方向的日寇形成对国军的夹击之势。
东路赣北方向由第106师团和佐枝支队承担，突破国军奉新地区防御后，向高安方向进击，作战日期比主攻方向提前一周实施。担任空中支援的是日寇陆军第3飞行团约100架作战飞机以及海军一部。
1939年9月14日，赣北日寇第106师团率先向奉新虎形山、龙形山发起进攻。在日寇猛烈地炮火下，中国守军阵地几乎全毁，被日寇迅速突破。第106师团渡过南缭河后，直取会埠方向国军第60军（安恩溥部）阵地，企图在进占会埠后，即兵分两路，右路直取九汕汤、沙窝里，左路则指向冶城、罗坊。由于第60军防御阵地过大，长达50余公里，在大规模炮袭后，日寇采取迁回与正面进攻战术，第60军难以抵敌进攻，加之其右侧的第58军（孙渡部）在敌进攻下，正被迫后撤，第60军遂放弃会埠。至此日寇可西进冶城、罗坊，沿南缭河而下，穿越绵延百里山地，直趋长沙以东的浏阳。
会埠失陷后，中国军队的高安阵地完全突出，敌第106师团随即调出1个联队南下，增援对高安实施扰乱性牵制攻击的佐枝支队。至9月18日，在空军的支援下，日寇完全形成对高安守军第19集团军第32军（宋肯堂部）的包围之势，守军被迫放弃高安，且战且退到石鼓岭第二线阵地抵抗日寇进攻。进攻赣北的日寇第106师团向第11军司令官冈村宁次报喜邀功：“已击破当面之敌，并且开始捕捉高安西方地区败退的重庆军。”
得知高安失守的消息，蒋介石、薛岳先后致电罗卓英。蒋介石在电报中令：“第19 集团军应积极作战，坚持对敌后的攻击。万一敌直面攻击时，需以现有兵力进行持久战，掩护湘北方面我军右侧，不得期待增援。”薛岳则严令罗卓英统一指挥第1、第19集团军，务必夺回高安，同时批准使用第74军前往增援，并从第73军抽调1个师支援卢汉的第1集团军（辖第58、第60军）。此时前敌总司令罗卓英也准确判断出日寇主力在会埠方向，高安地区只是敌人辅攻方向，下决心反攻高安。
9月20日，日寇第11军命令第106师团迅速西进修水、三都地区，与鄂南、湘北日寇会攻长沙。第106师团随即令在高安地区部队实行防御作战，抽调部分部队转向会埠方向，准备西进。日寇兵力的转进，恰成为第32军反攻的有利条件。21日，第32军一部乘夜北渡锦江，并于22日收复高安。中国军队乘胜追击，先后占领高安附近的马形山、莲花山，稳固了高安防线。日寇撤退时颇为狼狈，连作战命令也未及带走或销毁，被中国军队缴获。到9月23日，中国军队基本克复高安地区原阵地，日寇被迫放弃高安方面攻势，集中兵力于会埠方向。
第32军克复高安站稳脚跟之后，反而形成了威胁会埠方面敌第106师团主力侧翼的战场态势。罗卓英当即命令第49军（刘多荃部）第105师接防高安，令第32军及赶来增援的第74军（王耀武部）第57师（施中诚部）作为向奉新日寇第106师团主力侧翼攻击的奇兵。
中国军队弃守会埠后，第60军和第58军在正面与敌对峙，罗卓英将第九战区增援赣北的第73军（彭位仁部）第15 师用于支持第60军拒敌。9月23日，日寇第106师团主力西进，第60军虽顽强抵抗，但难御日寇进攻，日寇于24日继续向西突进，企图与此时由鄂南通城南下的日寇第33师团汇合，将国军第27集团军、30集团军包围。
根据战场情况，罗卓英再次调整部署发起反击。从9月24日后，赣北战场双方展开拉锯战。到10月3日，日寇第106师团攻势行动逐渐停止，该敌始终被压迫在九仙汤、郭城市一带赣西北境内。此时，日寇湘北主力第6师团、鄂南进攻之敌第33师团已被迫撤退。罗卓英令第30集团军、第32军、第1集团军、第74军从四个方向反击，围歼寇第106 师团主力。
10月6日，中国军队第15师攻克郭城市，向沙窝里推进，第51师克桐木石，向九仙汤推进。次日，中国军队相继克复沙窝里、九仙汤，并击退日寇的增援反击。之后罗卓英准确判断日寇已开始退却，于是下令各部队追击。至10月13日，日寇主力退守到靖安、奉新一线原阵地。追击的中国军队逐次清剿日寇掩护部队，于13日与日寇再次形成对峙。至此赣北方面作战基本结束。
湘北战场的战斗于9月18日打响，进攻之敌为日寇第6师团、奈良支队和上村支队。其中，第6师团和奈良支队于岳阳以南展开，上村支队从岳阳启程，计划在洞庭湖南岸、汨罗江口的营田登陆。日寇的企图是将中国湘北防御部队第15 集团军围歼于平江以北地区。
湘北方面中国军队为第9战区第15 集团军共8个师，司令关麟征，所辖第52军担负洞庭湖东岸磊石山，沿新墙河南岸至长安桥阵地防御，在新墙河以北有草鞋岭、马家垸等警戒阵地；第79 军担负长安桥、黄岸市、麦市一线阵地防御；第37军担负湘江东岸于家嘴沿汨罗江南岸至浯口间阵地防御。中国军队的企图是将进攻之敌诱至长沙城北予以歼灭。
9月18日起，日寇第6师团和奈良支队连续攻击第52军新墙河北岸警戒阵地。次日，薛岳判断湘北日寇有进攻长沙的企图，遂令位于浏阳的第70军、位于修水的第23军归第15 集团军关麟征指挥，以加强湘北方面的防守。
9月19日，关麟征下达作战命令，明确各部队任务，决心在九岭、黄岸市、杨林街、新墙、鹿角、磊石山一带及汨罗江两岸进行持久防御，阻敌进攻相机歼灭之。第79、第37、第70、第73军接到命令后，均按命令调整部署。
期间第52军（张耀明部）第2师8团第3营，在营长胡春华指挥下，在新墙河北岸金龙山、斗篷山警戒阵地坚守三天，最后全营500多人只有7人因为身负重伤提前退出战斗，得以幸存，其余人员全部壮烈殉国，为全军调整部署赢得了宝贵的时间。与胡春华营英雄壮举相似的是第52军第195师防守比家山、草鞋岭一带阵地的史思华营，该营与日寇激战数日，全营官兵同样是几乎全部牺牲在阵地上。
9月23日晨，因新墙河水可徒涉，日寇第6师团于新墙以西七步塘、奈良支队于杨林街附近强渡新墙河，突破守军阵地。同日，日寇上村支队在海空军火力支援下，在洞庭湖汨罗江江口营田强行登陆，突破第70军第95师阵地，攻占营田、千秋坪一线阵地，尔后继续向东南突进，企图切断粤汉铁路和长沙、平江间公路。营田的失守使第15集团军的左侧背面临严重威胁，前有日寇第6师团正面攻击、右有奈良支队的侧击，左有营田上村支队的翼侧包抄，第15 集团军有被围歼的危险。根据这一态势，薛岳于9月24日决心将主力向汨罗江左岸第二线阵地转移。第15集团军各部遵照薛岳的命令，当日晚重新调整部署。
鉴于湘北战局紧张，国民政府军事委员会于9月24日晚召开会议，研究湘北战局，确定两套作战方案。第一方案即按照原计划第9战区作战保持幕阜山根据地，在铁路正面，逐次抵抗消耗敌人，换取时间，待敌突入长沙附近时，则以有力兵团相机予以打击，尔后依状况将主力逐次转移株洲、浏阳、醴陵地区并以第4军控制于湘潭方面，掩护湘、桂、黔各路。第二方案提出为保存实力，避免损失，并乘敌深入予以打击，拟即令第九战区以1个军部署于长沙东侧，准备向长沙突进之敌侧击，其余湘北主力部队，即向浏阳、萍乡、株洲之线转移。
会上蒋介石决定坚持原定作战方案，即采取第一方案。同时为防战事不利，命令在广西全县训练的中国第一支机械化部队第5军主力推进至衡阳，另以1个师进至衡山，准备增援湘北作战。
9月25日，日寇趁第52军主力向汨罗江南岸转移之际跟踪南进，迫近汨罗江北岸，并以一部偷渡汨罗江，袭占新市。
26日，在空军火力支援下，日寇猛攻汨罗江南岸各处阵地，激战竟日，中国军队坚守住了主阵地。在此期间，上村支队与第70军沿粤汉路展开反复争夺，互有胜负，日寇进展未如预期。
9月28日，日寇奈良支队经瓮江向平江迂回，企图策应鄂南日寇第33师团作战。第6师团则由汨罗江畔分路南进。其进抵福临铺的部队受到中国军队伏击，遭受重创。沿铁路南进的日寇上村支队，在三姐桥、栗桥遭受伏击后，被中国军队阻于三姐桥附近。
9月30日，日寇先头部队进至捞刀河北岸，各路南进日寇在遭受中国军队顽强阻击后，均无力继续南进。
鄂南方向突进的日寇第33师团虽与由平江东进的奈良支队会合，但在中国军队协力阻击下，其攻势亦被阻止。收到湘北方向前线日寇无力继续前进的报告，日寇第11军司令冈村宁次乘飞机在空中对战场全局进行了视察。视察结果令冈村大为吃惊，他不得不承认，会战进行至此，不仅已难以实现预定歼敌企图，还面临被中国军队合围的境地。10月1日，为避免不利态势，冈村只好向各部队下达了撤退的命令。
关麟征发现日寇撤退迹象后，当即命令各部以恢复汨罗江南岸为目标对敌实施追击。至10月4日，第15集团军基本收复汨罗江南岸。直到此时，决心在长沙城北与敌进行决战的薛岳才判断出湘北日寇已撤退，遂下令各部以现在态势立即向当面之敌猛烈追击，务于崇阳、岳阳以南地区捕捉敌人，并予以歼灭。至10月13日，日寇退回新墙河以北原阵地，在营田登陆的日寇亦仍从水路向岳阳撤走，中国军队收复新墙河以南地区。在新墙河两岸基本恢复到第一次长沙会战前的对峙状态。
鄂南方面是日寇湘北主攻方向的次要作战方向，由日寇第33师团担负，其任务是配合第6师团、奈良支队和上村支队，围歼第9战区平江地区守军，并策应赣北第106师团作战。第9战区在九岭、幕阜山担任防御的部队是杨森的第27集团军及第15集团军第79军，王陵基指挥的第30集团军则在幕阜山、修水承担部分防御任务，另有湘鄂赣边区游击总指挥樊松甫指挥的5个挺进纵队，进出鄂南地区，担任敌后游击。除担任敌后游击的挺进纵队外，杨森、王陵基部均属川军序列。第九战区赋予该方向的作战任务也很简单，坚决阻敌突进，打破其与主力的合围企图。
本来按照冈村的构想，在日寇策反和打击下，川军即使不帮日寇打蒋介石的嫡系中央军，至少也应消极抵抗，而实际情况恰与冈村的设想相反。川军不但积极抗击日寇的进攻，还把四川人具有的灵活性和韧性发挥到了极致。
9月21日，日寇第33师团向通城以南的第79军前进阵地发起攻击，同时以主力向麦市、桃树港进攻。23日，日寇第33师团突破第79军（夏楚中部）主阵地，继续向南进攻。期间，第27集团军第20军（杨汉域部）第134师在白沙岭一线阻敌时，从一个被击毙的日寇军官身上搜出了第33师团的作战任务区分和标图，以及其他极为重要的作战部署文件。得此情报，杨森果断调整部署，令第27集团军第20军向第79军靠拢，协同夹击日寇。并命令湘鄂赣边区游击纵队在大湖山、九宫山方面的挺进游击部队对敌实施尾击和从东向西实施侧击。双方在福石岭展开激战，日寇多次进攻均被击退，未能突破中国军队防线。
9月27日，日寇改变进攻方向，第33师团主力绕开福石岭向西南突进，于10月1日进占长寿街、献钟，并与转进的奈良支队汇合。日寇两支部队在沿途中国军队的节节阻击下，损失惨重，战斗力严重削弱，已无力再攻。此时，各部队根据杨森的命令，正展开对这股敌人的围歼攻击。恰在此时在长寿街地区面临被围歼命运的日寇第33师团、奈良支队均接到冈村转进的命令，10月2日，奈良支队向通城撤退。日寇第33师团则奉命从渣津东攻修水，接应赣北方面作战的第106师团，并于10月11日退回原防地，恢复战前态势。
至此，第一次长沙会战结束，此役日寇集中兵力10万余人南进，未能达到歼灭中国第15集团军的目的。日寇承认“此次会战与南昌、襄东（随枣会战）两次会战相比，颇有决战之势。在部分战场上，战况之激烈超过了刚刚结束的诺门罕战役。”
国民政府方面称此战为“湘北大捷”，毙伤日寇2万余人，中国军队伤亡3万余人。
