同时，薛岳决定在汨罗江一线与日军进行决战，一决雌雄。其部署是：
第37军（附第99军第92师） 以一部任长乐街、新市间至汨罗江南岸守备，主力于麻峰嘴、李家桥、彭家坳占领既设野战阵地，完成战斗准备；
第99军仍任汨罗江南岸归义、营田、湘阴一带守备；
第26军推进至金井、将军坝一带地区，伺机由东向西侧击南犯日军；
第10军由衡阳、衡山向高桥、上杉市、长沙、金井推进；
第74军以2个师开浏阳，1个师开洞阳市，策应湘北方面作战；
第72军改调平江，支援汨罗江防线作战；
第6战区第79军第98师即开益阳、军山铺；
重迫击炮第2团、第74军炮兵团、炮兵第1团集中使用于汨罗江南岸之主阵地线，先协助第37军守势作战，尔后支援第26军反攻。
9月20日晨，薛岳下达的上述作战命令被日军截获。当时，日军第11军的参谋部正在研究向汨罗江南岸发动进攻的方案。
阿南惟畿接到这份情报后，立即派出飞机进行侦察，将第9战区军队调动的情况与电文相对照。在证明所得情报确实无误之后，阿南惟畿立即改变了“将主力用于湘江方面”的原作战指导方案，决心从东面对第9战区的部队进行包围，在捞刀河以北地区捕捉歼灭国民党军队。
随即，阿南惟畿令第6师团由瓮江、三角塘方面向金井方向挺进，包围第26军；第40师团由平江经社港向洞阳市迂回，尔后与第6师团一起围歼第26军；第3、第4师团分别向麻峰嘴、栗桥挺进，包围第37军。
20日，日军第3、第4、第6师团强渡汨罗江，并将正面逐次向东移动，企图包围汨罗江南岸中国守军的右翼；其第40师团则沿关王桥、长乐街以东山地，经三枣桥向瓮江挺进。
21日中午时分，阿南惟畿正式向各师团下达作战命令：
“军决定于22日黄昏开始行动，在捞刀河以北地区捕捉歼灭当面之敌。”
然而第9战区的悲剧还不止于此。
22日晨，日军再次截获了第9战区的作战命令。
这道作战命令是薛岳于21日23时发给第74军的。它要求第74军主力立即向浏阳西北的蕉溪铺集结，而以一部在社港南面的新安铺集结。
阿南惟畿得到情报后，再次派飞机进行侦察。结果第74军的行踪不但事先暴露，而且日机还发现了正由长沙向金井急进中的第10军及由金井向瓮江方向前进的第26军的队伍。
于是，阿南惟畿将原定于22日黄昏开始的攻击时间提前，于11时发布了开始攻击的命令。
两道被截获的电波就这样决定了第9战区军队的悲惨命运。
第9战区的各部队接到命令后，马上向各自的指定方向开进。
20日，日军一部窜至长乐街、横山桥，被第4军击退。20日夜，第20军克复关王桥。日军第40师团一部来援，被第4、第58、第20军协力击破。随后，这三支部队由东北方向继续向长乐街、磨刀滩、新市、归义衔敌后侧攻击前进。第37军则与渡过汨罗江之日军一部展开激战。至 21日上午，日军一部退回汨罗江北岸，另一部仍占据着浯口及长乐街南岸一线。第197师仍在洞庭湖南岸与日军对战。
第26军原定防守汨罗江南岸金井至将军坝的第二线阵地，但20日又接到命令，要求该军推进至汨罗江南岸平江以西——浯口——新市的第一线阵地。
21～22日，第26军昼夜兼程赶往指定防线。不料，在瓮江、浯口一带遭到日军第6师团的围攻。双方随即展开激战。
与此同时，防守洞庭湖与汨罗江所形成的三角地带的第37军第95师和第140师也遭到日军第3、第4师团的攻击。当时，日军以第3、第4师团的一部攻击第37军的正面，以第4师团主力从第99军第99师与第95师的结合部穿插而过，自左往右向第95师神鼎山阵地迂回，以第3师团主力从第140师双江口阵地右侧与第26军的结合部穿过，自右向左往第140师侧后迂回，企图从左右两个方向将第37军的两个师包围消灭。双方在马头岭、伍公市、新市、骆公市等附近捉对展开厮杀。
23日，第26军经过苦战，未能击退当面之敌，反而有陷入日军四面合围的险境。第26军军长肖之楚立即向薛岳报告险情。薛岳指示，第26军可向南撤退至蒲塘。
同日，日军第3师团从第140师右侧突入，向双江口阵地全线猛攻。最后，第140师陷入日军重围之中，各方的通信联络都已中断，全师官兵于混乱之中只能各自为战。第140师虽伤亡惨重，但仍在坚守阵地。第95师则在神鼎山阵地顽强抗击着日军第4师团的攻击。
24日，第26军边打边向蒲塘撤退。日军第6师团紧追不放。同时，日军第40师团又从东面压来。日军2个师团跟踪追击到蒲塘，对第26军展开围攻。
中国军队进入长沙
中国军队夺回长沙，进入长沙城内。
在短短的一个星期内，第9战区第26、第37、第10军三个主力军便先后被日军击溃，这令薛岳十分恼火。日军正在向长沙步步紧逼，第9战区的战场态势越来越不利，薛岳决定让第74军担负起阻止日军南下的重担。他认为，如果第74军能阻住日军，那么，第9战区聚重兵于捞刀河一线，与日军还可一较高下。
薛岳之所以让第74军担此重任，是因为第74军有着骄人的抗战业绩。特别是在1941年春季的上高会战中，第74军奋勇杀敌，使日军伤亡惨重，赢得了“抗日铁军”的称号。
27日晚，第74军各部奉命突围，向醴陵集结。
第74军的防线被击破后，通往长沙的屏障已全部被清除。而此时守卫长沙的，只有第6战区前来增援的第79军第98师。
尽管如此，薛岳仍想竭力保住长沙。在他看来，失去长沙城，让日本人哪怕有一天的占领，都是他这个战区司令长官的耻辱。同时，他心中还有一层潜在的意识，那就是他要把长沙城变成中国各战区抗战的象征。
所以，此时的薛岳一面催促援军火速赶到长沙，一面命令滞留在敌后的第27集团军的3个军赶到长沙救驾；同时，令第26、第37、第10、第74军各率残部向正在逼近长沙的日军进行反击。
当时，第98师主力部队配置在城内，一部在捞刀河与浏阳河之间占领阵地，并在石灰嘴派出了警戒部队。
27日，日军早渊支队渡过浏阳河。在驱逐了第98师的警戒部队后，即向长沙挺进。第98师虽奋力抵抗，但早渊支队一部还是于当天下午5时左右从长沙城的东北角冲入城内，并控制了新开、经武两城门，掩护主力入城。早渊支队司令部于当夜23时进入城内。29日，日军第4师团开进长沙。薛岳要守住长沙的愿望还是未能实现。
在日军进入长沙的当晚，第7战区增援部队暂编第2军暂编第8师赶到长沙东郊左家塘附近。在获息日军已进入长沙后，即向长沙郊区的日军发动攻击。但该师仅到达1个旅的兵力，根本无力击退当面之敌。
28日，第79军暂编第6师到达岳麓山，薛岳即令其东渡湘江，驱逐进入长沙之敌。
29日，渡过湘江的暂编第6师向长沙城内日军发起攻击，并与早渊支队在市区发生巷战。但这时，日军第4师团主力也已开到长沙，第3、第6、第40师团全部到达长沙外围。由于兵力过于悬殊，暂编第6师只好撤出城去。
日军占领长沙后，以第4师团留驻长沙，其他师团向浏阳、株洲方向追击国民党军队。
第3师团自黄花市经金潭向株洲追击，29日在茭冲辅、油麻山一带与第74军第57师展开激战，双方伤亡惨重。当日9时，第29旅团的先遣队冲进株洲，13时撤出；30日14时返回金潭附近地区集结。第6师团击败第74军第51师后于29日进到镇头市集结。第40师团于28日进到浏阳县北盛仓，占领狮形山，29日集结于永安市。
至此，日军停止了全面进攻。接下来，阿南惟畿和他的前任冈村宁次做了同样一件令其对手没有想到的事——全线撤军。
此次作战，日军第11军从新墙河打到长沙，可谓一路势如破竹，所向披靡，虽然期间遭到过一些顽强的抵抗，但终究未能阻止其南下的脚步。从9月18日发起全面攻势至9月27日攻进长沙城，前后仅用了10天时间。阿南惟畿不禁为眼前的这种胜利所陶醉。
俗语有云：乐极生悲。正当阿南惟畿的大军向长沙长驱直入时，其后勤补给线却屡遭打击。运输部队被袭，后勤补给仓库被毁，类似的报告一个个接踵而至。阿南惟畿自然很清楚，作战部队若失去了弹药、给养的补充，那将意味着什么。
为了保证前线作战能够顺利进行下去，阿南惟畿也是不惜血本，一下子又派出50多辆装甲车向前线输送弹药、给养，同时又派出1000多名步兵做掩护。可阿南惟畿万万没想到，他的这支运输部队在9月29、30日行至金井西北之脱甲桥及麻峰嘴等地时，居然连人带车被国民党军队一股脑儿全部报销，而他的这一数目巨大的补给物资也有一半落到了他的敌人手里。
阿南惟畿搞不清楚这是哪些部队在其前线部队的后方捣鬼，他更难以接受这样一个事实。
其实，不断在后方打击日军后勤补给线的正是早已不被阿南惟畿放在眼里的以第27集团军为主的各部队。虽然在日军发起全面攻势时，身处最前线的第27集团军确实遭到不小的打击，但其所属各部并未遭到毁灭性的重创。因此当日军一路只顾南下后，第4、第20、第58军等部便跟在其屁股后面，时不时地从侧面或后面给他来上几枪。另外，他们在日军后方还有一项重要的任务，那就是打击日军的后勤补给线。经过不断地偷袭、围攻，日军的后勤补给线几乎全部被其切断。而且当日军攻进长沙时，他们也随之来到了长沙周围。
此时，阿南惟畿的面前摆着前线各师团急需补充的电文，而他却