大战开始后，薛岳命令部队坚决抵抗，按照原定计划行事。
薛岳从几天来日军的攻击强度、兵力投入等，判断出敌人主攻方向在湘北之后，对于自己先前的判断感到释怀，庆幸自己没有误判。会战开始后，薛岳让参谋长吴逸志率领长官部非作战单位和非作战人员撤到耒阳，而自己则带领一部分幕僚人员留在长沙，组成指挥所直接指挥战斗。
在接到杨森的报告后，薛岳担忧33师团与湘北日军形成对第15集团军的夹击，速调第8军前往支援，同时命令湘鄂赣边区游击总指挥樊崧甫，以大湖山、九宫山方面的部队由南向北尾击并由东向西侧击日军。因中国军队在外线居高临下，占据了有利地势，33师团进入汩罗江上游河谷后前进困难，加上杨森各部在薛岳的严令督饬下拼死命阻滞，使这股敌人始终未能与湘北日军会合。
23日上午，离堆三咀阵地不远的营田失守（营田位于湘江与汨罗江交汇入洞庭湖的三角地带，今称屈原镇），日军成功登陆。第6师团从正面、奈良支队从右面向第15集团军阵地压来，形成了三面包围之势。
薛岳立即命令第52军、第70军、第73军除留下一部分固守据点外，其余撤向汩罗江第二线阵地，与第37军、第79军一起加强防守，准备予敌人以打击。同时，薛岳还命令战区直辖军及炮兵向岳麓山、长沙及长沙以北地区前进，占据攻击准备阵地。
24日，第15集团军前线各部边打边退，于晚上分别到达指定地点。日军眼见预定计划即将要落空，于是紧紧咬住穷追，于当晚和次日凌晨到达汩罗江边。
在24日的鸡笼山战斗中，我守军表现顽强，亲历者回忆称：“从早上到黄昏，鸡笼山守军一直被淹没在日军的炮火硝烟之中，未擅离阵地一步。副班长赵琪右眼球被炸裂，班长何树清耳朵被震聋，士兵被炸死炸伤四十余名，血肉横飞，其状之烈，其情之惨，实不忍睹。据班长何树清统计，日军在一天之内向鸡笼山阵地发射了万余发炮弹。”【17】日军的暴行更激起了我军誓死保卫阵地的决心，虽然付出了巨大的牺牲，但始终牢牢固守阵地，完成了阻击日军辎重部队的任务。战后，负责守备鸡笼山的第79军140师837团被通报嘉奖。
25日凌晨，日军分三路架桥，三次试渡后均未成功，一直相持到下午；日军改变了战术，以小股的步骑兵新辟渡河地点，结果登岸日军遭到守军伏击和分头截击而被全歼。但由于日军后续部队大量涌来，中国守军寡不敌众，日军最后强渡成功。当晚，作为第11军司令官的冈村根据新墙守军与汩水守军在既设阵地立足未稳之际，将日军三路部队集结在新市附近，寻机歼灭中国守军。冈村命令第6师团向新市以南的中国守军进行攻击，奈良支队也改向新市前进，上村支队在击退当面国军后也向新市方面集结。
上村支队是从华北方面军的第3师团抽调来的，因为该部队既不熟悉江南地区的地形，又要进入洞庭湖在国军阵前登陆，而且要求他们采取大胆行动，楔入敌军侧背。任务过于艰巨，因此冈村最初对此非常担心。不过在获得海军的援助后，冈村又特意将关东军前参谋辻政信中佐派往该支队担任主要幕僚（辻政信是个狂热的军国主义分子，诺门坎战役很大程度上是他煽动起来的，因此事后遭到免职处分，但被11军收留，后调往台湾）。23日拂晓，在接到上村支队成功登陆的紧急报告后，冈村才放了心。其后该支队以机动舟艇圆阵（将后方机关置于中央）突破敌方阵地等特殊战例，成功地切断了国军主力的退路。
三个月后的12月21日，冈村飞往上村支队的驻地应山，亲手颁发了奖状。
第九战区有计划地实施撤退，一切似乎尽在薛岳的判断和掌控之中，蒋介石在接到薛岳关于在“长沙郊区与敌决战”的方案报告后，也表示出了很大的信心。
25日，军委会鉴于有利形势，命令薛岳“着准备6个师兵力，位置于长沙附近，亲自指挥，乘敌突入长沙之际，侧击而歼灭之”。薛岳在接到命令后，指示第52军、第70军各留两团兵力继续阻击日军南下，其余部队全部退到长沙附近及以北地区，准备在侧面阵地打击日军。
52军军长张耀明奉命指挥第2、25、195、60等四个师在福临铺、上杉市一带设伏，侧击南侵日军。28日，设伏在福临铺的第195师多次击退日军的攻势，第195师为保持部队机动、避免被敌包围，于当晚撤到上杉附近的邓家坳、丁家湾，与防守在上杉市的第60师并肩作战。30日上午，上杉日军3000余人在捞刀河上架设浮桥准备南进，就在敌人半渡之际，突然遭到了第195师、60师的前后夹击。日军受此沉重打击后，不再继续南进。与此同时，第73军也在铁路沿线两侧阻击日军，73军第77师于26日奉命到达栗桥、三姐桥指定位置，与日军激战两天后将该股日军击退，有力地阻止了敌人前进的步伐。
日军越过汩罗江后，屡遭中国军队的伏击、阻击，进展已大不如前，且战线越拉越长，主攻部队的后勤补给线已几近被中国军队全部切断。老辣、机敏的冈村担心如果继续深入下去，战事将越发对自己不利，于是毅然下达了全线撤退的命令。上杉距离长沙还有30里，狡猾的狐狸已经嗅到了危险的气息，最终没有钻入猎人设下的圈套，就这样令兴师动众的薛岳在长沙空等了一场。
日军各部于30日发起攻击后，主力开始回返，仅留下少量部队在后卫担任掩护。
处于激战中的第九战区各部，对于10月1日的平静均认为是日军发起新一轮攻击的前兆，所以纷纷抢修工事，准备迎接将要到来的恶战。大家没有想到，一向猖狂的日军竟然会主动撤退。
当15集团军司令关麟征最先发现日军已经悄悄溜走时，他当即决定对敌人实行尾追并歼灭之。同时，关麟征又向其所辖部队发布命令：
（1）第73军以一部向平江方向挺进；
（2）第52军之第25师和第195师，各以一部一部围歼上杉市残敌，分派支队向金井、福临铺、青山市等处跟踪追击，至汩罗江南岸将溃退之敌截击歼灭之；
（3）第59军以一部向栗桥、三姐桥尾追残敌于汩尾、营田一带击灭之。
10月2日下午，第195师夹击上杉市6000余日军，予敌重创，日军残部向福临铺溃窜，中国军队收复上杉市。3日，第25师、第195师追击到福临铺、金井附近，日军又向汩罗江北退却。4日，逃到长寿街、平江一带的日军，遭到第79军和第27集团军的夹击，伤亡惨重。
此时，薛岳已经断定日军是全面退却，于是立即向部队发出命令：“湘北正面各部队以现在态势立向当面之敌猛烈追击，务于崇阳、岳阳以南地区捕捉之。各追击部队对敌收容部队可派一部监视扫荡之，主力力行超越追击。”
值得一说的是，就在日军撤退时，身为桂林行营主任的白崇禧突然赶到了薛岳的指挥所，薛岳怀疑小诸葛是来争功的，而且也气愤白某人老在桂林发表不利于湘北作战的言论，于是向下属抱怨道：“敌人进攻时，他不来，敌人退却时，他来了。我们几夜没有睡好觉了，刚睡好，他来找麻烦。”见到白崇禧后，薛岳立即揶揄道：“这次作战，兵力不够用，我能力也不成，所以仗打不好，这个责任，我负不了，请主任来亲自指挥吧。”【18】
白崇禧无言以对，只是一个劲儿地摩挲自己的光头（白夫人经常戏称他为“老光”），在场的人出来打圆场，称赞了一番薛岳的卓越指挥。薛岳不待白崇禧离开，径自告辞，弄得自讨没趣的小诸葛只好调转车头回桂林去了。
【17】《湖南会战：原国民党将领抗日战争亲历记》，许俊陶《幕阜山区的两次战斗》，P42
【18】《湖南会战：原国民党将领抗日战争亲历记》，赵子立、王光伦《以“后退决战、争取外线”取得会战胜利》，P16
