25日，日军分东、中、西三路向中国守军第二线阵地继续发动进攻。中国第五十八军在第二十军的配合下挫败日军锋锐，并给日军以极大的消耗后，随即按照预定计划转入新的阵地，以诱敌深入。

守卫傅家冲、洪桥两据点的第398团第2、第3营依托工事顽强抗击，曾数次击退日军的冲击，第2营营长王超奎完成阻击日军三日的任务后，让副营长杨义臣率领剩余士兵到高地掩护，自己冲入阵地前方与日军拼杀，掩护据点内士兵撤退，被日军机枪射中光荣殉国。

第3营副营长吕海群及所属官兵全部壮烈牺牲。27日，日军强渡汨罗江，猛攻当面中国守军阵地。中国第九十九、第三十七军在给予日军大量杀伤后，依旧采取诱敌深入的方针，逐次抵抗后撤至日军两翼，待机反攻。

日军第十一军的作战任务，仅是牵制中国第九战区兵力南下援助英军。实际上，驻香港英军已于25日向日军投降，这意味着日军第十一军已经完成了牵制的任务。

为了将日军第十一军拖进“天炉”阵，薛岳命令部队提前后退，制造“溃败”的假象。阿南惟几在26日日记中写道：“香港虽已陷落，但敌人之攻势（向广东方面）于今后数日中仍有极大危险。”

日军作战主任参谋岛村钜康反对进攻长沙。日军大本营本部也否定了阿南惟几进攻长沙的方案，阿南惟几决定抗命，决定于天气转晴后的29日进攻长沙。日军的3个师团接到阿南惟几进攻长沙的命令后于29日开始进攻，为争抢功劳，迅速展开行动。

薛岳随即命令第十军固守长沙，顿挫日军进攻，其余各部以长沙为目标，从南、东、北三面围攻进攻长沙的日军。为了就近指挥和督促各部作战，薛岳还将第九战区司令部战时指挥所搬到岳麓山爱晚亭附近。

12月30日国民党军事委员会致电第九战区长官部：“在长沙附近决战时，为防敌以一部向长沙牵制，先以主力强迫我第二线兵团决战，然后围攻长沙，我应以第二线兵团位置于战场较远地区，保持外线有利态势，以确保机动之自由，使敌先攻长沙，趁其攻击顿挫，举各方全力一齐向敌围攻，以主动地位把握战机。”

30日薛岳于当晚7点向战区各部发出命令：“战区以包围歼灭进攻长沙之敌为目的，决以各兵团向长沙外围敌军，行求心攻势歼灭之。”31日，薛岳得到日军主力已分别到达长沙外围附近的报告后，下达总攻命令。

为严肃战场纪律薛岳规定“各集团军总司令、军长、师长务确实掌握部队，亲往前线指挥，俾能适时捕拿战机，歼灭敌人”；本人“如战死，即以罗副长官罗卓英代行职务，按预定之计划围歼敌人；总司令，军、师、团、营、连长如战死，即以副主官或次级资深主官代行职务；各总司令，军、师、团、营、连长倘有作战不力、贻误战机者，即按革命军连坐法议处，决不姑宽”。

1942年1月1日，日军第三师团和第六师团向长沙守军发起猛烈进攻（具体作战经过就不详细叙述了）。

负责守卫长沙的中国第十军李玉堂部，在岳麓山第二十三军炮兵旅的支援下，与日军展开激战，屡挫日军攻势，拼死坚守阵地，并歼灭大量日军。

在战斗最紧张的攻击长沙修械厂战斗中，预备第十师方先觉把伙夫、警卫等非战斗人员发放武器增援修械所，一个小号兵在争夺八角亭战斗中赤手空拳与日寇拼杀并夺取一支三八大盖。战斗中预备第十师击毙日军第三师团“王牌”大队的大队长加藤素一，并从加藤身上搜出日军作战命令和阵中日记等重要文件。

由此得知日军各师团的作战目的，特别是携带弹药的数量，步枪子弹120发；轻机枪子弹1000发、重机枪4000发、山炮弹150发、小炮90发、手榴弹1发、枪榴弹20发。⁴薛岳非常高兴的敲着桌子说：“一纸虽轻，胜似机枪万挺！”

2日晨长沙前面的迫击炮和岳麓山的重炮，突然向日军轰击。日军第3师团长进入炮兵观测所差点被100毫米加农炮轰击炸死。由于日军孤军深入，且伤亡惨重，补给线被切断，粮食弹药无法正常供给，只能靠飞机空投接济但是很多弹药空投到国军阵地，如负责掩护40师团的龟川联队连伤兵都一块留下打阻击，步枪子弹每人不超过10到15发，手榴弹每一分队只有1-2枚。⁵

另一方面，薛岳调动的援军也陆续到达指定位置，以大举合围之势发动全线反击。3日日军参谋们一起向阿南惟几建议返转，阿南惟几不得不于4日晚仓促后撤。

日军返回驻地过程中受到国军的围攻，损失惨重。蒋介石发布严令：“从哪个军当面突围，枪毙哪个军军长。”虽然第1飞行团出动全部飞机支援，第13联队仍无法突出重围。联队长友成敏惟恐被歼后文件落入中国军队之手，下令将文件全部焚毁。

日军第40师团由金井向春华山前进时，沿途遭到第37军的多次阻击与侧击，其第236联队伤亡惨重，第2大队长水泽辉雄、第5中队长三宅善识及第6中队长关田生吉等均被打死。

398团第2营撤退到指定隐蔽地点的战士，反击中高喊：“为王营长报仇。”其中一名士兵一人就用刀劈死八名日军，被抬下战场的时候身上还挂着三挺轻机枪。

日军护卫军旗的护旗兵被迫击炮炸死，第3师团长亲自护卫军旗，甚至在撤退时轻伤兵和医务队都拿起步枪战斗。据被日军俘虏后逃回来的说，日军在撤退途中，老百姓不给其带路，日寇将中国百姓杀害，拿着手电筒照着地图、指南针摸索前进，只要有一点光，机枪就打过来。

第九战区司令部参谋处副处长赵子立回忆说：“日军非万不得已是不在战场遗弃尸体的，这次却未及烧完。后来参谋长吴逸志由耒阳回到长沙，让人把已经掩埋的日军尸体全部扒出来。埋在一起，堆一个高台子，并勒石留念，上书‘倭寇万人冢’，虽没有万人，但冢中也有几百具尸体。”

日军战史也不得不承认“作战始终是在极为困难的情况下进行的”，中国军队“引诱日军一直深入到长沙，集中长沙城内外的30万（其实不到）大军将日军包围。尔后，日军第一线部队几经苦战，付出了高于香港作战两倍多的牺牲，于1月15日撤回到原驻防地。这次作战，动摇了一部分官兵的必胜信念。”⁶

第三次长沙会战国军战报：毙伤日军56944人，俘139人；国军伤亡、逃亡合计29217人。蒋纬国先生在其书中不敢引国军战报，先引日军战报：人员战死1591人，战伤4412人。然后再引用缩水后的国军战报：敌伤亡万人以上，俘139人。⁷

除以五之后再引，由俘虏数目也可看出国军战报水分之大，第九战区战区报俘虏139人，而经国民党军令部挨个查人头后是64名。8此次作战日军共出动兵力70000余人，如果真像国军战报说的，日第十一军离被全歼不远了。

一场胜利后薛岳如愿以偿的得到了国军最高荣誉“青天白日勋章”；李玉堂升任27集团军副总司令；方先觉升任第10军军长等等。

作为同盟国对日第一次胜利，宣传一下无可厚非但国军第九战区上上下下陶醉于胜利之中不对战斗中出现的问题进行总结，必然会导致更大的失败，而且日军不是想占领长沙，“长衡会战”日军只用了一天就占领长沙。

薛岳把他的战法命名为“天炉战”是认为他的战略战术足以法天地之幽邃，穷宇宙之奥秘，为鬼神所泣，人事所难测，无以名之，故曰“天炉战”。

日军第三次长沙会战失利的主要原因

蒋纬国先生说：“第11军此次攻势，其主要目的为策应其第23军之香港作战，香港即于25日攻略，第11军目的已达，实无深入长沙之必要，图近利不顾全程战略。实属错误。”9私自更改作战计划，日军中下级军官包括士兵对于此次作战的目的不明——“上下不同欲”；兵力不足，第二次长沙会战日军出动11万人，此次只有7万人。阿南惟几以为第二次长沙会战第九战区受到严重打击，兵力不足，到了长沙才发现第九战区集结了近250000兵力，差点被全歼。