1941年11月，在第二次长沙会战一个月后，第9战区召开“第二次长沙会战检讨会议”，总结上次会战中的经验教训。战区司令长官薛岳痛定思痛，在会上提出了经过深思熟虑的“天炉战法”。
这个颇有些仙侠风格的作战方案，实则是薛岳根据湖南特有的地形以及前两次会战的经验得出的。湖南的地形是东、西、南三面环山，海拔均在1000米以上，中部和湘北地势低平，形成向北开口的马蹄形盆地。湘北虽然地势平坦，但从岳阳至长沙横亘着新墙河、汨罗江、捞刀河和浏阳河四条水系，构成数道天然屏障。日寇对第九战区的进攻每次均以打击国军有生力量为主，不以攻占长沙等重要城市为目的，就是因为即便夺取湘北、湘中城镇，地形地势上也会处于三面居高临下的威胁，无法固守。
此外，中日双方兵力对比上，国军在数量上占有优势，而日寇战斗力和机动性更强，所以国军整体上处于劣势。这种局面就造成了国军无力主动向日寇第11军发起反攻，只能待其进攻时寻找战机。
薛岳的“天炉战法”就是依托湖南的特有地形和中日双方的实力做出的作战方案，即当日寇进攻时，国军务必依托新墙河、汨罗江和捞刀河三条长沙以北的水系逐次抵抗日寇，以削弱其进攻锐力，尔后逐次向东西两侧山地转移，形成天炉战法的“炉壁”，其与前两次会战采取的作战方式并无太大差别。
要紧的是“炉膛”，日寇两次南下都不会推进至湘南山地地带，因此处不利于日寇进攻。所以在恰当的位置作为炉膛至关重要，前两次与日寇决战的地域，薛岳都选择在长沙以北汨罗江和捞刀河之间，而此时日寇距离进攻出发地尚不算远，后勤供给仍然有一定的保障。而且日寇此时的消耗也并不巨大，国军在这里与其决战时，往往承担巨大的压力。
此外，如选在长沙以北地区决战，“炉壁”深度也不够，各部在后期追击时，因作战空间和时间不足，不能有效地捕捉战机。因此薛岳决定将“炉底”定在长沙城。薛岳判断，日寇到达长沙城下时，兵力分散、远离后方、部队消耗较大，兵峰已经顿挫。国军此时以逸待劳，坚守长沙数日，再使用机动部队正面反攻，日寇必会北撤，届时国军可从南至北追击，“炉壁”之东西两侧国军此时从隐蔽待机处多路截击北退日寇，定能取得巨大战果。
据第9战区指挥部参谋处处长赵子立回忆：“除上述敌情判断、作战方案和兵力部署外，战区指挥部特别加强兵站设置和补给、交通、通信设施等各项，还附有各种要图，铅印了厚厚一本册子发给军长以上人员研究。此外还要求各集团军按照计划规定任务和行动，侦察地形，制定局部计划，并报长官部核备。这个计划发下不过1个多月，就发生了第三次长沙会战，长官部和各部队对这个计划记忆犹新，所以一切指导和行动全战区都是一致的，都能符合这个作战计划的要求。”
1941年11月，日寇大本营已经明确了南方作战（太平洋地区作战）的具体时间。按照大本营的计划，第11军应抽调2个师团参加南方作战。在第11军司令阿南惟几的力争下，大本营才改变计划，从第11军只抽调1个师团，并向第11军补充1个独立混成旅团。即便如此，第11军的兵力也稍有减弱。
12月10日，阿南惟几召集第11军各师团作战参谋会议，研究今后的作战问题。针对各师团弥漫着“中国方面已变为次要战场”的情绪加以纠正。特别强调第11军要采取更积极手段，坚持攻势作战，保持对中国军队的压力。
12月12日，日寇第11军获悉第9战区暂编第2军和第4军拟南下广州策应香港英军作战的情报，遂向大本营申请第11军应发动一次牵制性进攻，以阻止第9战区部队向广州增援，缓解驻广州的日寇第23军的压力。12月17日，日寇中国派遣军总参谋长后宫淳专门赴武汉，听取第11军的作战计划，阿南惟几向其提供了一个有限的作战设想，即以第6、第40师团向中国战区湘北新墙河防线国军第20军发动进攻，并在关王桥附近将其歼灭。之后第3师团投入第6师团右翼，击溃第9战区国军第37军后结束作战，此方案随后得到批准。
其实，阿南惟几的真实作战设想并非如此，他的作战目标是夺取长沙。之所以向后宫淳隐瞒实情，是他清楚日寇派遣军在兵力有限的情况下，是绝不会同意第11军夺取长沙的作战方案的。
在日寇中国派遣军同意第11军作战计划前，阿南惟几已经于12月13日向参战各部下达了作战预令。第11军计划在两个方向发起进攻，其中驻南昌的第34师团和驻九江的第14独立混成旅团在赣北提前发动牵制性进攻，以防止赣北国军增援湘北方向（会战期间该方向日寇发动的攻势在第19集团军的阻击下，很快就退回出发地）。第3、第6、第40师团和独立混成第9旅团，以及其他师团抽调的3个支队共7万余人，在湘北地区担任主要进攻，目的是歼灭第9战区国军有生力量，并相机占领长沙。战役发起时间定为12月23日，作战时限规定为2周。
12月中旬，日寇向岳阳方面集结兵力的行动被第9战区察觉。军事委员会判断日军攻势即将开始，遂于12月20日命令第9战区湘北地区第27、第30集团军立即进入临战状态，命令第73军由澧县立即向宁乡、益阳集结待命，第79军立即向株洲地区集结待命。第4军由广东曲江调株洲，第74军由广西宜山调驻衡阳，以备随时增援湘北战场。
担任新墙河一线防御任务的是第27集团军（杨森部）第20军，军长杨汉域，下辖第133、第134两个师。其中，第133师担任左翼新墙河正面防御，第134师担任右翼大云山、草鞋岭一线防御任务，战区对该军下达的作战任务是：“于敌强渡新墙河南进时，在即设阵地强韧抵抗，逐次消耗敌军，务须血战10天，争取余裕时间；达成第一步任务后，待命转至关王桥、三江口侧面阵地，自东向西侧击、自北向南尾击自汨罗江右岸南进之敌。”
为充分发挥防御作战的优势，杨汉域要求部队在依托阵地优势上，以筑垒据点工事为骨干，加强野战工事的纵深配备。作战时同时进驻据点和野战工事，以发挥依托阵地的优势。在兵力运用上，防守筑垒连排据点工事的兵力，要依托据点顽强抵抗，占领野战工事的部队，要利用纵深逐次抵抗，主力部署在最后一线预备阵地，根据战机机动使用，以增强防御的弹性。
在作战行动上，当日寇第攻击筑垒工事守军时，占领野战工事的守军要立即予以火力支援，或适时派出部队反击。当敌军攻击野战工事时，防守筑垒据点的部队也应给予野战工事守军火力支援，或使用兵力向敌尾击。纵深配备的部队，抓住有利战机对敌反击，以消灭敌人有生力量。无法坚守即设阵地时，要争取给予敌人重大杀伤后，逐步向侧面阵地转移，配合友军向敌侧击、尾击。
12月22日晨，日寇第40师团以两个联队向国军第20军新墙河北岸警戒阵地发起进攻。杨汉域收到战报后，判断日寇即将发起全面进攻，随即通令全军备战御敌。正面进攻的日寇第40师团发起进攻后一直受到新墙河北岸中国守军侧击，加上1941年冬季湖南出现数十年罕见雨雪低温天气，导致河水陡涨，进攻进展不顺，几次进攻都被守军击退。24日，日寇猛烈炮火将沿河防线守军阵地几乎全毁，第133师伤亡较大，遂放弃沿岸阵地向南撤退至纵深阵地。同时，日寇第6师团沿粤汉铁路徒涉过河，击溃当面守军。第20军第133师全线退守南岳庙、洪桥等纵深阵地。
12月25日，因粤汉铁路列车事故延期抵达的日寇第3师团投入战场，第20军同时遭受日寇3个师团的攻击。在优势日寇的攻击下，守军按计划采取逐次抵抗的方法，依托纵深防御筑垒和野战工事消耗日寇，并逐步向东南侧山地转移。
26日，国军第58军（孙渡部）一部奉命增援，与日寇第3师团展开激战。日寇第6和第40师团则在新墙河南岸继续攻击第20军第133师阵地，经8小时激战，第133师主阵地被突破。在此期间，第133师第398团1个营，在营长王超奎的率领下死守阵地，全营500多官兵几乎全部战死沙场。该团另1个营副营长李海俊亦率部坚守不退，全营官兵大部分壮烈牺牲。
27日凌晨，薛岳依据战场情况，认为第20军已经实现迟滞消耗日寇的目的，所部伤亡较大，阵地已经多处被突破，继续硬守不利于会战后期的反击，遂命令第20军向东南山区撤退，准备配合友军向敌侧击、尾击。
负责防守汨罗江防线的是第37、第99军。其中第37军领受的任务是首先在汨罗江南岸即设阵地抵抗，逐次消耗敌军，务必血战15日以上，争取战略运动时间。达成第一步作战任务后，待命转进至社港市、更鼓台、金井间山地。待日寇向浏阳、长沙攻击时，协同友军自东北向西南攻击南进之敌。
第99军领受的任务是确保汨罗江左翼阵地和洞庭湖南岸湖防。待日寇向长沙攻击时，所部第92、第99师自西北向东南夹击进攻长沙之敌，第197师仍负责洞庭湖西南岸防务。
第37军军长陈沛根据任务和兵力情况，将部队按倒“品”字形部署，第95师防守左翼新市、伍公市一线，第60师防守右翼秀水、张家渡一线，第140师作为军预备队，在金井待机。
第99军军长傅仲芳将重兵布置于（汨罗）江防和（洞庭）湖防，以防备日寇利用水路偷袭第9战区后方。具体部署是第197师负责防守洞庭湖西南湖防，第99师居中防守洞庭湖岸营田至湘阴一线，第92师负责防御汨罗江南岸阵地。
12月26日，沿粤汉铁路南下的日寇第3师团，在渡过新墙河后没有遇到国军的有力阻击，所部于傍晚已经抵近汨罗江北岸归义。27日午后，日寇第3师团开始强渡汨罗江，并击溃当面第99军第99师的防御阵地。获悉日寇第3师团战报后，阿南惟几立即命令第3师团向东迂回，完成对汨罗江南岸防御主力第37军的包围。同时命令第6、第40师团于28日晨做好渡河攻击的准备。当晚，战场再次下起暴雨，汨罗江水位暴涨，打乱了日寇的进攻计划，阿南惟几只好收回攻击命令，等待工兵部队在江上完成架桥。
日寇第3师团已经渡过汨罗江的部队则于28日单独向第37军第95师阵地发起侧击。29日，第11军全线恢复进攻，第6师团和第40师团先后强渡汨罗江，突破第95师阵地，并击溃第140师的增援，向第37军背后挺进。至12月30日，日寇完全突破第9战区第二道防线，3个师团全部渡过汨罗江。
在日寇发起对新墙河进攻时，第9战区司令长官薛岳就命令长沙城内各机关团体迁往茶陵，第9战区指挥部除必要参谋和警卫人员外，其余迁往耒阳，并组织长沙市民和物资向后方疏散。12月25日，日寇南方军第23军攻占香港，其第11军发动的、以“牵制第9战区支援南线作战”的目的已经达成。薛岳担心日寇就此结束作战，返回岳阳，所以对前线将领不再强调固守时限，以引诱日寇南进。
此时，第9战区第4、第74军已经在宁乡、株洲、衡阳完成集结，第19、第27、第30集团军所辖14个师抵达平江、浏阳一线，第10、第73军暂编第5师（郭汝瑰部）奉命固守长沙，战区直属第2炮兵团部署在长沙岳麓山，以增强防守长沙的力量。
12月27日，日寇第11军司令部拟定进攻长沙的作战方案，报请中国派遣军批准，并调武昌驻守的独立第9混成旅团支援长沙方向作战。次日，中国派遣军对第11军的作战方案给出了一个模棱两可的答复：“进攻长沙，由总军根据东京和广东方面的情况，另作指示，不必消极。”这段电文前面的意思是派遣军已经将作战方案呈报大本营，最后所说的“不必消极”则暗示阿南惟几自行决断。在整个二战时期，日寇大本营等决策机构时常会有此类含糊表达的指示电文，这的确能够增加前线将领的自主性，但很多时候，前线将领立功心切，行动冒险。
此时，日寇第11军内部存在分歧，参谋长木下勇等人提出“关于进攻长沙应慎重”的意见，而阿南惟几在12月26日的日记中写道：“香港虽然已经陷落，但敌人在广东方向的攻势致今后数日，仍然存在很大的危险，我军在此牵制，如果稍有松懈，就不能说是完成了任务……”
12月29日傍晚，阿南惟几下达进攻长沙的命令，参加此次作战的除第3、第6和第40师团外，还包括后续抵达战场的独立第9混成旅团编成的泽支队和第18旅团编成的外园支队。
虽然各师团清楚此次作战的目标是长沙，但转向长沙作战的命令太过突然，使各师团均有些措手不及。只有第3师团长丰岛房太郎在接到命令前就向各部下达“不必拘于以前命令，继续向前攻击”的命令。日寇第3师团在战前转运时列车发生事故，在会战开始2天后才投入战场，由于当面中国守军防御薄弱，第3师团第一个渡过汨罗江，一路进展顺利，在日寇各师团指挥官中，对攻取长沙最积极。接到第11军命令后，师团长丰岛房太郎立即命令部队停止迂回行动，取捷径向长沙攻击。12月31日，因守军有意诱敌深入，该部渡过捞刀河、浏阳河，随后迂回长沙以南，抵达长沙近郊。
第6师团接到命令时，正在汨罗河以南麻石山、鸭婆山一线攻击守军第37军第95师。第6师团长神田正种对于突然改变作战计划非常不满，但仍然于30日午夜调整进攻方向，于12月31日抵达浏阳河一线。
第40师团接到作战命令时，正在攻击据守长乐南方高地的守军，师团长青木诚一遂命令各部队向金井急进，于12月31日抵达金井地区。独立第9混成旅团则于1942年1月1日达到关王桥地区，掩护日寇后方。至此，日寇完成进攻长沙的战役展开，做好了进攻长沙的准备。
在第二次长沙会战时，第10军遭受重大损失，第10军军长李玉堂在战后因“布防失当”遭受撤职处分，后因继任军长钟彬尚未到任，加上薛岳全力斡旋，才获得留任察看的机会。为表达守城决心，李玉堂将自己的指挥部设在城南湘江边灵官渡的湖南电灯公司内，他对身边的参谋们说：“我们要把这里变成长沙的‘四行仓库’！”
李玉堂深知，要守住长沙，仅仅靠守城决心、鼓舞部队士气是不够的，最关键的是构筑完善的工事据点，城市巷战必须建立可以统一协调又能够独立坚守的支撑点，所以他要求部队依次构筑各类工事。
在城外迟滞消耗敌人有生力量时，部队以发挥火力、设置复杂障碍为重点，确保将敌人阻击或消耗在阵地前；在城内坚守时，部队以坚固房屋为支撑，以封锁交通要道为重点，以分割歼敌为目的，既可减弱敌人优势火力的发挥，又能充分利用城区作战的优势。此外，李玉堂还特别加强各部通信联络，以保障部队在混战中能够协同作战。
在日寇进攻长沙前夕，第10军预备第10师师长方先觉提出应加强城南及南郊防务，遂请示将该师移防至江东，而李玉堂担心这样会削弱预备第10师原本防守的岳麓山方向防御，所以无法下定决心。此时，第9战区将第73军暂编第5师调入长沙城内，正好调补了第10军的防务空虚，李玉堂遂命令暂编第5师接替预备第10师在岳麓山的防务，预备第10师调往城南，第10军第3师（周庆祥部）负责防御城东，第190师（朱岳部）防御城北，战区第2炮兵团部署于岳麓山支援各部。
1942年1月1日凌晨，日寇第3师团率先向长沙东南郊狮子岭发起攻击，守军预备第10师第29团1个连奉命稍作抵抗即后撤。这场规模很小的战斗对日寇第3师团产生了严重误判，在战前会议中，师团长丰岛房太郎坚持将突破口定在东南方向，因为这里地势较高，虽然进攻时是仰攻，但一旦拿下这里，就可以居高临下席卷长沙。当面守军换成预备第10师，已经被日寇提前获悉，但丰岛房太郎从守军番号就主观认为该部并非国军嫡系，所以战斗力不会太强。
当所部顺利攻占狮子岭后，丰岛房太郎更加坚信自己的判断，随即向阿南惟几致电，称“元旦攻克长沙毫无悬念”。第11军参谋长木下勇奉命乘飞机视察长沙前线，发现第3师团虽然还没有攻进长沙，但进展的确顺利。在阿南惟几的授意下，第11军致电中国派遣军和日寇大本营，宣称第11军已经攻占长沙。
而此时日寇第3师团的进攻突然受阻，其从狮子岭向阿弥岭进攻时，遭到守军的顽强抵抗。攻击部队第18联队在炮火和飞机支援下，艰难突破阵地，随即在军储库、邬家庄一线遭到守军据点工事内密集火力的阻击，第18联队发动多次强攻均被击退，而且因伤亡惨重无力再战。另一支进攻部队“的野联队”在夺取雨花亭后，也被守军第28团阻止于长沙南侧外围阵地，未能再前进半步。
当日下午，第28团团长葛先才主动向师长方先觉提出，与其消极防御，不如趁日寇立足未稳主动反击。如反击失败，也必会让日寇付出相应代价，随后在方先觉犹豫之际，第28团吹响冲锋号，向日寇发起了反击。这次反击完全出乎日寇预料，日寇先是停下脚步、射击，很快就掉头逃跑，第9战区设在岳麓山的155毫米重炮抓住难得时机，把炮弹倾斜到惊魂未定的日寇逃跑路线上，死伤遍地。
1日晚21时，第3师团为兑现当天攻占长沙的承诺，命善于夜战的师团直属加藤大队发动强攻。由于守军缺少防备，军储库、邬家庄阵地相继失守，日寇渗透到白沙岭附近。接到战报后，第10军军长严令预备第10师立即组织反击，务必夺回城南上述重要阵地。
渗透到白沙岭的日寇一部，依托民宅据守，并获得日寇炮火掩护，造成预备第10师第30团一定伤亡。该团团长陈希尧命令部队把汽油淋到附近民房引燃，此时正值西北风劲吹，火势迅速蔓延，百余日寇被烧死，其余逃出民房被外面的国军火力不断射杀，尽数击毙。与此同时，双方在军储库和邬家庄展开惨烈争夺，最终预备第10师反击奏效，不仅收复了两处阵地，还夺回了当天丢失的部分阵地。更重要的是，此战击毙加藤大队大队长，从其尸体上缴获日寇进攻长沙的作战计划和命令，第9战区因此获悉日寇携带的弹药不足的重要情况。
至此，日寇在元旦攻占长沙的新闻沦为笑柄。
就在薛岳为掌握日寇情报欣喜时，日寇第11军电讯侦听部队再次破译第9战区的电报，同样掌握了第9战区的作战部署和兵力调动。根据破译的电报，阿南惟几知道国军准备于1月4日发起反攻，参与反攻的部队共10个军。一向对己方部队作战能力估计过高的阿南惟几认为这是抓住战机，扭转战局僵持的绝好机会。为此他一面命令第3师团加紧进攻长沙，务必在国军完成包围前占领该城。一面命令第6师团和第40师团加紧构筑工事，保障第3师团的侧翼安全。
1月2日，第3师团继续向中国守军进攻，进攻重点则从城南转向城东。其工兵第3联队逐次爆破守军堡垒群，配合第3师团步兵联队的进攻。同时空军飞机轮番向长沙守军阵地予以火力突袭，守军则依托工事据点死战不退。日寇攻城部队亦遭到岳麓山守军炮兵的猛烈轰击，在炮兵和步兵的打击下，第3师团难以组织起有效进攻，多次进攻都被打退。
2日下午，日寇后方出现险情，其后勤补给线被切断（“炉壁”处第20、第25、第37、第58、第99军为牵制南下进攻日寇，对日寇实施侧击、尾击，致日寇补给线被阻断）。各师团所携带弹药大部分耗尽，攻城部队被迫转为守势，所需弹药只能依靠有限空投补给。
获此战报后，阿南惟几才认识到问题的严重，如不能尽快打破僵局，其第3和第6师团恐有全军覆没的危险。当晚阿南惟几决定破釜沉舟，命令第6师团前出至第3师团右翼，加入进攻长沙的作战。同时命令第40师团进至春华山一线，保障第11军退路。
1月3日，双方都清楚这一天是战役最关键的一天。凌晨日寇第3师团全部和第6师团第6旅团一同进攻长沙。拂晓前第3师团第18联队从长沙城东浏阳门突入城内，但随后遭遇城内守军依托工事构成的严密火力网，双方在阵地前反复争夺。在撕开守军几处缺口后，与守军展开白刃战。至14时，预备第10师增援部队发起反击，将一度已经丢失的阵地夺回。
第6旅团则在城北向守军190师发起攻击，依托优势炮火的支援，第6旅团连续发起10多次冲锋，最终突破守军第一线阵地。第190师师长朱岳为保存有生力量和防御弹性，命令所部收缩防线，退守第二线工事据点。中午时分，第6旅团攻入城内，于13时占领湘雅医院、刘芳岭等处阵地。此后在守军炮兵的阻拦炮火下，进攻陷入停顿。
在城南，第3师团“的野联队”改变前2日一味正面强攻的战法，将进攻重点改为城南制高点东瓜山，企图夺取该点后再居高临下攻击南门其他阵地。东瓜山守军在连日作战下，兵力已经不到一个营，进攻部队是1个大队1000余人。在日寇不断冲击下，东瓜山阵地失守。获悉此消息后，方先觉亲率预备队向东瓜山反击，并将阵地夺回。此时日寇已经弹药不济，被迫停止了进攻。
在长沙外围的第40师团也遭到“炉壁”第37军的侧击，竟日激战后，弹药业已耗尽，阵地被多处突破，甚至师团指挥部也于1月3日遇袭，警卫部队彻夜激战才保障了指挥部的安全。
在长沙激战之时，第9战区各部已经陆续抵达反攻出发位置。其中第4军先头部队抵达日寇第3师团攻击城南部队的背后；第26军进至长沙东郊，开始向第6师团发起攻击；第79军到达长沙东南，并立即向日寇第3师团浏阳河阵地守军发起攻击。
面对危急局面，日寇第11军参谋长木下勇认为攻取长沙已经毫无希望，遂极力劝说阿南惟几命令部队回撤。阿南惟几也不得不承认此战已无胜算，遂于1月3日夜下达撤退命令，要求第3、第6师团于4日最后尝试夺取长沙城，如不能达成作战目的，则于4日夜向北撤退。同时命令第40师团、独立第9混成旅团和外园支队以一部提前北撤，以扫清撤退路线上第9战区干扰部队。
1月4日，攻击长沙的日寇已经无心恋战，只等天黑后向北撤退。国军第73军（彭位仁部）第77师则奉命从城西进入长沙城，协助第10军巩固城内阵地。城外第4军则先后收复南郊阿弥岭、黄土岭、金盆岭等阵地，与城内守军取得联系。15时，日寇第3、第6师团停止了进攻，开始准备撤退。17时，日寇在长沙城内到处纵火，以掩护撤退。至午夜，城内已经没有枪炮声，日寇全部撤出长沙。至此，第10军苦战4昼夜，击退3倍（第10军兵力约2万人）于己之敌，保卫了长沙。
1月4日夜，第9战区完全判明日寇正在撤退，立即调整原定在长沙城下决战的作战部署，改为各部队由现地展开追击、截击的命令，即：“第26、第4、第73军于5日拂晓从长沙一线组成追击部队由南向北追击；第20和第58军由战区副司令杨森统一指挥，占领捞刀河至汨罗江之间的福临铺、栗桥等地，切断日寇北退道路；战区副司令王陵基指挥第37、第78军切断日寇东侧退路，并自东向西截击北退之敌；第99军军长傅仲芳率本部负责阻敌西窜，并自西向东截击日寇；长沙守军第10军就地休整，不参与追击作战任务。”
自北撤后，日寇一路极为狼狈，在其战史中“陷入苦战”“勉强作战”“面临危机”“情况危机”等字样随处可见。5日当天，第3师团预定撤退的渡河点－东山军桥已经被国军炸毁，所部工兵又试图多次架桥，也被国军火力粉碎。无奈之下，第3师团只能沿浏阳河岸向西退却，试图能够找到徒涉过河的地点。在磨盘洲附近，第3师团正要过河，却遭到国军第79军的炮火袭击。不久后卫部队抵达，合力强行渡河，才化解危机。
由于长沙东北方向第9战区兵力薄弱，日寇第6师团的撤退比较顺利。1月5日，该师团由预留的榔梨市军桥顺利渡过浏阳河，然后奉命接应第3师团。1月6日，日寇两个师团会合，一同向北撤退。在撤退道路上，后有第4、第26和第79军的追击，两侧不断遭到侧击，而为加快撤退速度，日寇排成长长的行军队形，毫不停留，一路撤退至捞刀河北岸枫林港。
第40师团在撤退途中，其第236联队被第9战区国军拖住，被迫陷入苦战。第40师团由于背负扫清北退道路扰敌的任务，也不敢分兵回援。在得到第3、第6师团已经退至捞刀河北岸的消息后，立即回转将第236联队救回。
至1月7日，国军追击各部斩获颇丰，此时国民政府军事委员会以电话向第9战区下达了严厉的督战令：“以福临铺为界，以西由副司令杨森负责，以东由副司令王陵基负责，敦促各军务必阻止和切断敌军，如敌从某军正面逃走，即将其军长枪毙！”
严令之下，使本已经有些懈怠的各部重新向日寇发起围攻。1月8日夜，奉命接应日寇第11军各部北撤的独立第9混成旅团渡过汨罗江，向南对国军北线部队反击。其一部山崎大队当夜袭占影珠山，捣毁第58军军部，随后被中国军队全歼。第20、第58军也合力向独立第9混成旅团发动反击，将其彻底击溃，没能越过影珠山与南面的第3、第6师团会合。
同时，阿南惟几为改变困境，要求前线各师团争取发动一次反击，将北撤路线上的青山市国军一部围歼，但第6师团尚未完成展开，就被国军四面合围。在日寇第1飞行团的协助下，第6师团杀出重围，迅速与第3师团会合。1月12日，日寇第11军越过汨罗江，第9战区南线追部队停止了追击。1月14日，日寇第11军突破第9战区北线堵截部队的截击，至16日全部退回新墙河以北原驻地。1月18日，薛岳下达结束作战的命令，第三次长沙会战至此结束。
此役，日寇遗尸33941具（日寇自行火化不计），重伤23003人（轻伤可随部队行动者不计），合计56944人。日寇方面虽然承认遭遇惨败，但其公布的数字仅伤亡6000余人，完全不能让人信服。从另一个角度分析日寇此役的损失，即此后1年多的时间里第11军没有再发动大规模的进攻。
