1941年9月7日,日军第六师团为掩护其他各部的集中,由忠坊、西塘两路进攻大云山中方第四军阵地,由大云山东西两侧突破,第四军撤守。向大云山增援之第五十八军收复该地区,13日和日军第四十师团于甘田、港口地区遭遇,发生激战,重创第四十师团。第六十、第一0二师也渡过沙港河向日军第六、第三师团正面出击。但是第九战区此时未能判明日军进攻长沙的企图,第九战区司令长官薛岳在14日给蒋介石的电报中认为日军扫荡我大云山后,南渡新墙河窜扰。经判断敌又施上高会战时第三十二师团以进为退之故伎。
9月17日,日军主力各部队集结于新墙河北岸九龙冲、筻口、港口之线。18日,日军分别由港口、四六方、潼溪街、新墙市强渡新墙河,展开全面攻势,第二次长沙会战爆发。直至此时,第九战区才判明敌有以第三、第四、第六、第四十师团及海空军一部,由粤汉路两侧及沅江、益阳方面内击长沙之企图。国民政府军令部遂令:国军决确保长沙,并乘虚打击消耗敌人之目的,第九战区应先以一部广领汨罗江以北地区,行持久战,并各以有力一部固守汨罗江以南各既设阵地,以于平江附近外翼地区,求敌侧背反包围而击破之。为使第九战区作战容易,第三、六、五战区分别对当面之敌展开攻势,以牵制日军兵力的集中,策应第九战区作战。
第九战区命令第四军沿新墙河南岸力击南犯之敌,第五十八军由大云山地区向昌水以南转移,第二十军由斗米山以东阵地西向黄岸市附近转移,会同第四军侧击渡新墙河南进之日军。日军以一部对东掩护,主力继续向汨水北岸石头铺、长乐街一带推进。19日傍晚,日军第三、第六师团之各一部已进至汨水南岸新市、浯口附近,其主力及其他各师团已到达汨水北岸地区。19日夜,日军先头部队由长乐街西南处渡过汨罗江,与中国军队第三十七军前进部队激战。20日晨,日军第三、第四、第六各师团强渡汨水,是日,日军截获了薛岳于18日向各部队下达的准备由东方侧击日军的会战指导方案,日军据此改变了将主力用于湘江方面的原作战方针,决定由中国军的更东方对之进行包围,于20日18时发布了向东方转移命令,对各兵团做了战略部署:军以击溃李家塅、金井地区之敌为目的,决定进至自新市附近至瓮江附近的汨水左岸地区;第六师团应及时以一部向三角塘方面前进,面向金井方面第二十六军侧背占领攻势据点;第三师团今夜应以一部接替第六师团正面的守备,并准备向麻峰咀攻击;第四师团今夜应以一部接替第三师团正面的守备,并准备向栗桥攻击。据此,日军各兵团由20日深夜到21日,向中国守军汨水左岸阵地转移。21日至23日,第三十七军与日军第三、第四师团激战于神鼎山、班召廊一带地区。第二十六军与日军第六、第四十师团激战于瓮江、蒲塘地区,双方均伤亡甚重。22日,第十军向栗桥、福临铺之线推进,23日于该处占领阵地,准备阻击日军。24日,第三十七军阵地被突破,向安沙转进。日军第四、第三、第六各师团,追击第三十七军至栗桥、福临铺、金井地区,并攻击第十军阵地。26日,第十军多处阵地被破,遂与第三十七军同向捞刀河南岸转移,至此,汨罗江防线完全被日军瓦解。汨罗江防线的失守意味着长沙北方门户已洞开,薛岳于24日将战区司令部从长沙迁往湘潭,并部署在捞刀河一线做最后的抵抗。

在捞刀河一线抵抗日军的主力是第七十四军,该军被日军认为是最精锐的中央直系部队,一直在万载、宜春附近整训。26日,第七十四军由万载经浏阳到达浏渭河北岸春华山附近,第六战区之第七十九军,奉令经常德、益阳向长沙增援,先头之第九十八师占领捞刀河以北阵地,任长沙外围守备,主力向岳麓山推进中。26日至27日,第七十四军于春华山、永安市附近地区,与日军第三、第六、第四十师团之一部遭遇,发生激战,损失甚重,28日,向普迹市东面转移。日军遂渡捞刀河向长沙亘浏阳河之线推进。中国军队由于战略判断失误,并未对长沙郊区外围和市区做防御准备。26日,由湘西增援之第七十九军第九十八师及由广东增援之暂编第二军第七师一部,于长沙东郊和日军第四师团早渊支队发生激战。28日,早渊支队在空军支援下由长沙城东北部入城。29日,日军第四师团主力入城。当日下午,8架自成都飞来的中方战机向长沙市街北端投掷炸弹30枚,这是中国空军美国志愿大队的第一次出击行动。日军第三、第六师团于永安市附近击退第七十四军后,渡过捞刀河及浏阳河,向株洲方向突进。日军于10月1日认为,此次长沙、株洲作战,打击第九战区及破坏秋收之目的已达到,故开始撤退。军令部认为敌人按既定计划退却,大军行动,不易于再行对我反击,我军乘敌疲惫向敌追击,击其惰归,实为有利之战斗。第九战区遂令第七十九军向长乐街、新市方面跟踪追击;第五十八军向关王桥,第七十二军向杨林街分别超越追击。原留置日军侧后之第四、第二十、第九十九军在马鞍铺、青山市、麻峰咀、金井一带截击日军。10月5日,日军渡过汨罗江;8日,渡过新墙河,退守原阵地。第二次长沙会战结束。
为策应第九战区在湘北战场的战斗,第三、六、五战区各自以牵制日军为目标,向各自当面之敌展开了一系列军事行动,其中以第六战区对宜昌的反攻作战效果最为明显。
(文献主要来源:步平,王建朗.中国抗日战争史第二卷(战时军事),社会科学文献出版社)