1942年1月2日，日军第40师团援兵到达长沙，3日，日军逼近城厢修械所，阵地四次被夺，长沙一度岌岌可危。最后炊事兵、马夫都上阵参战，全团战至53人，但是抱定必死信念的28团愣是把日军连续3日的猛烈攻城阻挡于长沙城外。
4日凌晨，日军发动猛攻，施放毒气，战况空前惨烈。中午，日军冲击湘雅医院，被我军击退。攻至护城河，又被我军扼止。下午，日军炮兵被摧毁殆尽，步兵仍在进攻。预10师继续苦战，将辎重营、卫生队均编成战斗部队。傍晚，日军久攻不下，无计可施，被迫改变主攻目标。
傍晚，第十军军部响起电话，电话里传来第9战区长官部的通报"我湘北第27集团军杨森等部，已从平江山区出击，断敌归路，其他部队均已出动，长沙地区的敌人有撤退模样。敌如撤退，你军无追击任务。"戴罪立功的"军长"李玉堂悬着的心终于放了下来。半夜过后，枪炮声由稀疏而沉寂，长沙度过了1942年最艰难的86小时。
撤退途中，日军又遭遇了我军的多次伏击、阻截、轰炸、扫射，疲惫至极又逢孤立无援，退败中的日军死伤惨重。"部分日军冲不出包围圈，痴呆着双眼，自毙数百匹战马，又以刺刀、步枪和手榴弹自杀互杀。只听得战马嘶竭悲鸣，日军剖腹惨叫，毁坏枪炮炸响声不绝于耳。"曾瀛洲说。
毙伤俘获抗战仅见
四战失利长沙沦陷
第三次长沙会战历时一月余，毙伤日军56900多人，其中大队长、联队长以上军官10人，击毙缴获战马千余匹和大批枪炮弹药辎重。毙伤、俘获之多，为抗战以来历次会战所仅见。
战役结束，盟军各驻华使节纷纷赶赴长沙战场参观。美国海军部部长挥笔写下《告中国人民书》，其中说道："数周以来，贵国在长沙之伟大战绩，非仅为中国之胜利，亦且为所有同盟国家共同之胜利，而为打击整个轴心之胜利。"
