第九戰區司令長官部並不清楚他們的作戰命令再次被人本人破譯了，因此按照原計劃將司令部於11月18日從長沙撤往湘潭。

與此同時，王耀武的第74軍也遇到了麻煩，其先頭部隊第57師到達撈刀河北岸的春華山附近時才發現春華山已被日軍佔領，無奈之下第57師只好佔領南岸天鵝山，與日軍對峙，並且及時上報軍部，以便軍部迅速做出調整。

阿南唯幾的主要目的就是要擊潰甚至是一舉殲滅第74軍，以報上高會戰時第11軍遭受的恥辱。因此還不等第74軍軍部做出反應，日軍就向天鵝山展開進攻，雙方激戰徹夜，至19日晨，日軍才被擊退。第57師乘機反擊，奪回春華山，掩護第74軍主力集結，隨後將春華山移交第58師，北向麻林迎擊日軍。

19日上午，日軍第3師團主力在空軍支援下向第57師正面連續猛攻，遭到第57師頑強抗擊其空軍部隊也遭到國民政府空軍以及陳鋒所部南下增援的空軍部隊的攔截，雙方於是在春華山上空展開了一場大空戰。

這場空戰一直進行了1個半小時，中日兩國的航空部隊軍損失慘重，這一仗國民政府空軍第4大隊、敵飛行大隊被擊落78架戰機，另外還有54架戰機受傷，幾近全軍覆沒，而日軍第三飛行集團也損失慘重，被擊落66架戰機，另有28架受傷。最終雙方因油料耗盡不得已返航。不過總的來說，這場空戰中國空軍還是佔了上風，畢竟日軍被擊落的都是最新式的零式飛機，而國民政府被擊落的不過是蘇聯製造的伊15、16戰機。

眼見空軍進攻失利，日軍又投入第3師團一部攻擊第57師左翼。第57師乃是王耀武第74軍骨幹部隊傷，是中日戰爭爆發幾年來用十幾萬人的性命堆出來的精銳，儘管遭到日軍左右夾擊，而且是以一個師硬抗日軍最精銳的第三師團，但是第57師官兵渾然不懼，激戰坂田傷亡近3000人，仍堅守不退。

與此同時，第58師在春華山、夏家塘、伍家渡一線，第51師在伍家渡、楊家灘之線，以及協同第74軍作戰的第37軍第95師在王家沖、楊公橋一線也與日軍各部隊發生激戰。守軍各部隊堅守撈刀河兩岸陣地，阻擊、側擊日軍，或主動向日軍進攻，給了日軍以相當殺傷，但自己也受到嚴重損失，第74軍全面陷於苦戰。

由於日軍早有準備。所以憑藉局部的優勢兵力。給第74軍以重大打擊。至22日夜，第74軍傷亡過半了，另外還有兩名少將旅長戰死，還有一名副師長身負重傷。不得已之下，第九戰區只好命令第74軍撤出戰鬥，東向洞陽市、橫江至瀏陽河南岸轉移，準備側擊日軍。第74軍一撤。日軍便開始強渡撈刀河。隨後直趨長沙，其主力第3、第6師團則由長沙以東向株洲方面突進。

第九戰區以及軍事委員會很自信。認為日軍第11軍憑藉區區不到5萬人的部隊是不可能攻破第九戰區的防禦的，所以他們並未作在長沙近郊和市區防禦作戰的準備，因此日軍突過撈刀河後，長沙無兵可守，市民紛紛逃難，道路為之擁塞，秩序極為混亂。

而從第六、第七戰區前來增援的第79軍、暫編第2軍只有先頭第98師、暫編第8師第1旅到達長沙，該兩軍主力都還在開進途中。

11月23日，第79軍第98師在長沙以北三窯堂、白茅鋪一線與日軍早淵支隊遭遇，展開激戰。日軍以航空兵火力支援，連續突擊戰鬥至晚，突破第98師第一線陣地，逼近長沙。24日，日軍早淵支隊再攻破第98師第293團陣地，突進長沙。剛剛到達嶽麓山的第79軍暫編第6師奉命進入長沙，與日軍展開巷戰。

至11月27日，日軍第6師團也到達長沙，其第3師團一部曾突入株洲，與暫編第2軍先頭部隊發生戰鬥，暫編第2軍隨即撤出。日軍第6師團一部集結於鎮頭市附近，第40師團集結於獅形山附近，荒木支隊、江藤支隊擔任掩護後方交通線任務。至此，日軍第11軍認為已完全達到了預期作戰目的，停止了攻勢。

原本日軍認為已完全達到了預期作戰目的。正準備作下一階段的作戰部署時，國民政府突然向第九戰區增兵8個精銳師，同時第八戰區兩個戰鬥機大隊突然由太原轉場鄭州，然後直接向日軍第11軍司令部所在地岳陽展開空襲，此戰造成日軍第11軍司令官阿南唯幾重傷。

由於事發突然，日軍前線的部隊根本一無所知，當10餘萬裝備精良的中央軍突然出現在長沙外圍的時候，日軍傻眼了。很快日軍就感受到了正面戰場的巨大壓力，不得已只好放棄徹底佔領長沙的打算，全軍後撤。

好不容易等到援兵到來，薛岳那容易就讓日軍從自己手邊溜走，當即命令暫編第2軍、第79軍各向當面日軍跟蹤追擊命令位於撈刀河、汨羅江南北地區的第74軍、第27集團軍所屬的第4、第20、第58軍並指揮第72、第26軍以及第99軍各依現在位置截擊、側擊日軍，務使其不能安全渡過新牆河。

與此同時，老蔣也發電報要求：“第九戰區應乘敵疲憊，果敢追擊，乘機佔領岳陽，並應積極破壞武岳鐵路，分向各路退卻敵人沿途襲擊、伏擊，猛烈打擊，使其不能退守原防並牽制防守，滯其向武漢方面轉移，以利第三、第五、第六戰區之作戰”。

各部隊按以上命令，對撤退中的日軍展開追擊、截擊和側擊，給予日軍重大殺傷。由於阿南唯幾重傷昏迷，第十一軍司令部暫時群龍無首。失去了上級指揮的日軍徹底被打亂了行動。至11月30日，日軍除第3師團全部退回新牆河以北以外，第6師團一部約6000人以及第40師團一部約3800人被國民政府包圍在了新牆河以北。

日軍中國派遣軍總司令部責令前線的部隊不惜一切代價將這萬餘日軍救出，但是在國民政府三十餘萬大軍的嚴防死守之下，日軍多次進攻都未能突破新牆河的防禦，其空軍在此期間多次協同地面部隊作戰，並且與北方空軍以及國民政府的空軍進行了了多次空戰，雙方各有損傷。

截止12月2日，日軍被包圍的部隊彈盡糧絕，大部被消滅之後，剩餘士兵全部向國民政府第九戰區投降，戰局再次恢復戰前狀態。第二次長沙會戰結束。

據國民政府方面統計，整個會戰中國民政府第九戰區損失兵員高達3萬4千餘人。其中戰死3萬一千餘人，被俘2300人第五戰區損失1.2萬人，其中六千人戰死，3千人受傷，另外還有三千人被俘或者是失蹤；第六戰區損失1.8萬人。其中戰死八千人。受傷八千人。被俘一千六百餘人，失蹤以及被擊潰400餘人。而日軍傷亡一萬六千餘人，其中戰死8348人，傷5231人。被俘879人。