阿南惟畿此次对于攻下长沙仍是胸有成竹。
与阿南惟畿的胸有成竹相比，薛岳此时更是胜券在握。因为他已获得了一份绝密情报。当预备第10师的官兵于1月2日下午全歼了在白沙岭民房内负隅顽抗的日军加藤大队后，在清扫战场时意外地发现了加藤大队长的尸体，并缴获了日军此次作战的计划和命令等文件。薛岳从这些文件中得知了日军各师团所在的位置和担负的任务，并得知其携带弹药的数目及其前线作战部队弹药已不足等重要情报。看完这些文件后，薛岳以少有的激动拍案大叫：“一纸虽轻，胜过万挺机枪也！”他立即将有关情况通报给各部队，令各集团按预定计划快速向长沙外围合拢，以达围歼日军的目的。
日军第6师团接到进攻长沙的命令后，其步兵第13、第22联队及独立第2联队于1月2日晚从洪山庙、湖渍渡渡过浏阳河，经德雅冲、伍家岭、开福寺向第190师防御阵地发起进攻。其中以杜家山争夺战尤为激烈。杜家山位于湖渍渡西岸（今动物园东南山），是长沙城东北面的制高点。防守杜家山的第570团连续击退了日军10余次冲击。
经过第二天的血战之后，守城的第10军官兵伤亡较大，只好缩短阵地，退守第二线据点，与来犯日军展开更艰苦的第二轮搏斗。
1月3日，长沙城的守卫战进入了最艰苦的阶段。
黎明时分，日军第6师团从长沙城东北侧、第3师团从东南侧至南侧，连成一线，集中炮火，同时向长沙城的北门、东门和南门守军第二线阵地进行炮击。第9战区岳麓山的炮兵立即以炮火进行压制。由于日军炮弹已快用完，所以时间不长，其炮击便逐渐停止。但两个师团的步兵却发起了猛烈的冲锋。
守卫城北湘雅医院的第190师第569团团长符志豪打电话向师部告急，朱岳亲自督战兴汉门。
守卫东门外窑岭、识字岭一带阵地的第3师第7团团长张振国告急，师长周庆祥督战天心阁。在无兵增援的情况下，张振国亲自带了两名机枪手，封锁窑岭与识字岭之间的道路，才稳住了阵地。
守卫南门外黄土岭、乌岭冲、太乙寺一带阵地的预备第10师第30团团长葛先才告急，方先觉亲自往南门口督战。
在这一天，只有第190师第568团守卫的小吴门没有出现危急难支的局面。该团团长陈家堂曾毕业于军校工兵科，长于阵地守卫战。他在日军进攻之前，就在小吴门外的十字路口构筑了严密的工事，组成了强大的交叉火力网，封锁了敌人攻城的惟一通道；在其他支路道口，他也都砍伐街树、推倒危房、堆放了许多桌椅门窗，密密层层地加以堵塞。有些必经之路，洒上了大片粪便和污泥浊水，使敌人望而却步，无法包抄掩袭。所以，当各处告急时，惟独该团从容不迫，三挫敌人攻势。
这天上午，第73军第77师渡过湘江，增援第10军守城。
战至下午，日军没能取得更大的进展，双方仍处于胶着状态。
第9战区全力迎战（4）
此时，战场上突然传来了蒋介石于2日午夜签发给第10军全体官兵的一份热情洋溢的电报。
蒋介石此时给第10军发来电报自是别有一番深意。12月25日，日军攻占了香港；1月2日，日军又攻陷了菲律宾的首都马尼拉。驻守香港、马尼拉的英、美军队在日军的进攻面前，节节败退，不堪一击，一触即溃；相比之下，第9战区的军队却顶住了日军的进攻已近半月，特别是在1日和2日这两天的长沙保卫战中，第10军官兵死守阵地、敢打硬拼的那种视死如归的精神更是令蒋介石感到欣慰、自豪与振奋。因此，在得知马尼拉陷落的同时，他便马上给正在极端困难的情况下，血战几十个小时，死守长沙城的第10军发了一份长长的专电。电文如下：
长沙薛长官、李军长玉堂、周师长庆祥、朱师长岳、方师长先觉并转全体官兵均鉴：
我第十军全体官兵，两日来坚守阵地，奋勇歼敌，致堪嘉慰。此次长沙会战之成败，全视我第十军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人，此种光荣重大任务，全国军民均瞩目于我第十军之能否完成，亦即我第十军全体官兵成功成仁之良机。敌人悬军深入，后方断绝，同时我主力正向敌人四面围击，我第十军如能抱定与长沙共存亡之决心，必能摧破强敌，获得无上光荣。望激励所分部，完成使命，无负本委员长及国人所期为要。
蒋介石的这份电文在第10军中一级一级地向下传达后，它对于两天来因连续作战而伤亡惨重、筋疲力尽、几乎已经到了崩溃边缘的士兵们来说，无疑是一个巨大的鼓舞。当这些普通而平凡的士兵们，突然听到自己的行为已经受到最高统帅和全国军民的注意与重视时，他们就好像一下子看到了自己生活的意义与自身的价值。各个阵地的据点、战壕里，顿时群情鼎沸，一片欢呼，低沉的士气重新又高涨起来。而从这种振奋中所焕发出的精神力量是难以估量的。
据日方记载，当天第3师团的战斗情况是：进攻长沙东门的石井部队仍在城墙附近与守军进行肉搏战，“但由于弹药极端缺乏，有的士兵在和重庆兵拼刺刀中战死”。进攻南门的野部队于早晨6时30分占领南门外的东瓜山阵地，但大队长横田庄三郎被击毙，而且“重庆军凭据附近一带的无数掩蔽工事，进行顽强抵抗，毫无退却的征兆，兵力愈加增多，事先已经储备好的大批弹药发挥了作用，反复逆袭达数十次”：“横田大队的左侧面已暴露在岳麓山的重炮阵地之下。从正面又受到了优势兵力的反攻，终日在反复地死斗中。正在第一线联络的联队副官神野一郎大尉战死，第5中队全体干部负伤。此时，弹药已经全部用尽”。
第6师团的战斗情况是：“3日拂晓，各部队进入长沙城东北侧，一齐开始攻击。特别是步兵第23联队第12中队急袭了长沙城北侧阵地，在13时左右很快地挺进到湘江畔。另外第2大队占领了长沙城外的阵地。重庆军从湘江对岸的岳麓山，以重炮（15榴）应战，猛烈轰击。下午各部队虽继续在城墙外围，竭力攻击，但战斗陷入胶着，由于重炮（15榴）的集中轰击，我方不断伤亡。”
下午15时，丰岛房太郎师团长给阿南惟畿写了一份战况报告：“敌有四道防线，在街道上设有碉堡，同时又凭据房屋防御极为顽强。目前在师团右翼方面，已展开巷战，不久，可以取得战果。”
此时的丰岛房太郎仍在做着攻占长沙的美梦。
殊不知，此时第9战区的大军正迅速向长沙外围合拢。至傍晚时分，第4、第79、第78、第26、第37、第20、第58军等已全部进入第一次攻击到达线。至此，第9战区就形成了以2个军（第10、第73军）固守长沙、岳麓山，4个军 （第26、第79、第4、第74）分别进占长沙以南、以东的金盆岭、朗梨市一带，5个军（第20、第58、第37、第99、第73）分布于汨水、捞刀河之间地区，控制着日军退却路线这样一种从东南、东北、西面及北面对日军的包围圈。
薛岳见围攻日军的态势已经形成，于是通令各部，限于1月4日晚全部进入第二次攻击到达线。
1月4日下午，攻城的日军听说第9战区的外围部队已经杀到，便已无心再战。能否攻下长沙已不重要了，还是保命要紧。所以，到了规定的撤退时间——太阳落山后，攻城的各路日军便准备开溜。一些被缠住的无法脱身的日军，则是想尽办法脱离战场。担任掩护撤退任务的日军此时只能恨自己倒霉，落得了这么一个坏差事。至1月5日7时左右，围城的日军已经全部撤走。长沙城四郊，战声尽息，一片寂寥。
日军第3、第6师团从长沙城下仓惶撤退时，首先遇到的就是第9战区的主力军、曾以“铁军”著称的第4军的堵击。不过，该军围歼的重点是日军第3师团。
日军第3师团非作战部队于4日日落后开始集结，准备向东山军用桥退却，丰岛房太郎率第3师团战斗指挥所先行撤退。第68联队跟着撤退。可是，当其退到雨花亭北侧时即被第59师包围。的野宪三郎联队长拔刀保护军旗，命令第2大队从后面冲上来担任前卫，才杀出一条生路。5日2时，其独立山炮兵第52大队在澜泥冲也被第59师包围，后由第1大队救出。至5日晨，该联队才跌跌撞撞地到达东山镇。第18联队最后撤退。当其退到妹子山、阿弥岭时即受到第102师与第3师的夹击，继而又在东山附近遭到第79军第98师第293团的阻击。日军第3师团在这一夜之间的撤退路上就丢下了1000多具尸体。
第9战区全力迎战（5）
5日凌晨，好不容易到达浏阳河畔东山镇的第3师团，却又遭到对岸第98师两个团猛烈的炮火袭击，而河上的桥梁早已被毁，第4军正由背后追来。丰岛房太郎见此处已无法渡河，只好命令部队沿浏阳河南岸从磨盘洲附近徒涉。
可是，当其18联队先头部队刚到达磨盘洲附近，对岸第98师第292团便枪炮齐发，一阵猛打。一些正在渡河的日军掉头就往回跑，跑得慢的当场被击毙；有部分胆大的不顾死活仍往前冲，倒还真是过去了一部分人。
而此时后面追击的第4军也已逐渐逼了过来，丰岛房太郎赶紧把身边仅有的一些参谋、勤杂人员组织起来进行阻击。幸亏其后继部队第68联队及时赶到，才救了丰岛房太郎一命。
丰岛房太郎见磨盘洲对岸也已有所准备，大部队无法从这里渡河，便留下一部在此强渡，其他人员向朗梨市转进。因为他已得知，第6师团已于上午从朗梨市渡过了浏阳河，此时正在对岸休整。原来，在长沙城东北一线的日军第6师团，趁着第3师团在长沙东南部与第4军激战突围时，撤到了朗梨市一带，并在朗梨市边的浏阳河上架好了渡河的军用便桥。
丰岛房太郎为了保命，丢下大部队，自己带�