9月7日夜晚，日军主力向湘北发起全线猛攻。这一次，薛岳对阿南惟畿的战术认识不足，选择决战地区不当，一开始就打得很被动，一个个主力军都被日军打散， 只得在后方集结。最重要的是，日军破译了中国军队的密电码，对中国军队的调动了如指掌，提前布下口袋，等待中国军队增援部队的到来。因此，李玉堂的第十军 和王耀武的第七十四军这两个王牌军，都没能挡住日军的进攻，反而险些被日军歼灭。
日军突破新墙河、汩罗江和捞刀河防线以后，迅速挺进到长沙外围，并于10月1日晚攻入长沙城。日军占领长沙后，一支支增援的中国军队陆续赶到长沙外围，被 打散的部队也重新集结，投入战斗。处于日军后方的杨森集团军，也赶下山来，向日军背后发起攻击。第六战区也在湖北向宜昌发起了大兵团反攻作战，驻宜昌的日 军第十三师团长内山英太郎向日本中国派遣军总司令部告急，阿南惟畿必须从湖南撤兵，回援宜昌。敌我形势骤然逆转。战局的主动权回到了薛岳的手中。
阿南惟畿十分想赶到长沙，但他知道，他已经没有了进入这座城市的资格。他的五十辆装甲车，已全部被中国军队击毁，护卫装甲车的一千多名步兵，也已全军覆 没。湖南的民众破坏了日军与后方之间的道路和桥梁。前方各师团急需补充的电文，压在他的书案上，军人的警觉使他意识到，一线部队断绝了补给和增援，那将意 味着什么。
阿南度过了一个无眠之夜，发出命令："全线撤退！"
日军刚开始撤退，薛岳便命令各部乘势追击，大量杀伤日军。10月9日，日军退过新墙河，回到原防。这一仗，日军死伤七千人，中国军队损失近七万。日军没有达到他们的战略目的。
