在湘北方面，日军集结主力部队，直插中国军队核心防御区域，力图诱使中国军队主力部队与其决战。日军主力第六师团及奈良支队于9月18日强渡新墙河，向新墙河北岸中国守军第十五集团军第五十二军发起进攻。中国守军顽强抵抗五昼夜，于22日晚被迫退至河南岸。23日拂晓，日军在猛烈炮火的支援下，强渡新墙河南进；日军上村支队在汨罗江口附近的营田登陆，对中国守军第十五集团军形成夹击之势；日军第三十三师团由麦市南下，企图消灭湘北的中国军队。中国守军第十五集团军凭借新墙河、汨罗江阵地抗击日军，予日军以重创后，于24日撤至汨罗江南岸。26日，国民政府军事委员会电令第九战区在长沙附近与日军主力决战。各军遵令随即进占阵地，侧击、伏击日军。27日，日军分路南进，30日，日军主力进至捞刀河北岸，直扑长沙以北的永安市、金井、上杉市、青山市、桥头驿等地。日军由于孤军深入，中途遭到中国军队的阻击、伏击，被迫停止进攻。日军全歼中国守军的计划宣告破产。
在鄂南方面，日军第三十三师团于9月22日向中国守军第十五集团军第七十九军发起攻击，23日，进占麦市、桃树港，继续向汨罗江上游进犯。中国守军第二十七集团军和第十五集团军第七十九军在麦市附近与日军展开激战，歼敌甚多。至29日，日军攻占南楼岭、平江，进抵朱溪厂、龙门厂、长寿街。中国守军第二十军、第七十九军各一部在献钟、南楼岭、桃树港一带夹攻日军，主力向朱溪厂、龙门厂的日军追击。10月1日，第二十军收复龙门厂后，向长寿街的日军侧击，第七十九军收复桃树港、麦市、献钟、嘉义。3日，日军第三十三师团主力与第十三师团奈良支队会师于三眼桥，东趋进攻修水。4日，中国守军第二十七集团军及第七十九军与日寇激战后，分别向南江桥、麦市、通城方向退却。第十五集团军尾随日军追击，先后收复安定桥、长乐街、新市、汨罗等地。5日，日军全线撤退，上村支队遭到中国守军第五十四军新编第二十三师袭击后，由营田登船从洞庭湖上逃回岳阳。9日，日军第六师团退向新墙河，第三十三师团撤回通城，奈良支队退回通城。中国军队在全线追击中，收复了平江、南江桥等城镇。13日，会战结束。本次会战，中方在损失上超过了日军，但保住了长沙，完成了会战的预期目标。日军虽然在军事上占有优势，但没有完成消灭中国军队第九战区主力的目标。
反败为胜——第二次长沙会战
1941年9月初，第二次长沙会战爆发，在这次会战中，日军第十一军在湘北岳阳以南地区集结了第三、第四、第六、第四十师团和四个旅团，配有战车第十三联队，野战重炮第十四联队，独立野战重炮第十五联队第一大队及部分工兵、空军、海军部队参加战斗，总兵力达12万余人；并配有军舰20余艘，汽艇200余只，飞机100余架。在司令官阿南惟几的指挥下，采取将主力并列于狭窄正面，以纵深突破的战略，向长沙进犯。
为了阻击日军南犯，中国军队派出第三、第五、第六战区对日军发动攻势，以牵制日军兵力调动，第九战区对日军实施袭击，使其不能集中兵力，然后借新墙河、汨罗江、捞刀河三线阵地，引诱日军主力深入至长沙东北地区围歼。第九战区参加会战的部队共计40个师，50余万人。
面对日军的进攻，中国军队的指挥官意识到，要保证长沙的安全，必须死守长沙的天然门户——大云山。9月7日，日军第六师团向湘北大云山的中国守军发动攻击，以掩护其第三、第四、第四十师团在新墙河右岸集结。中国守军第四军进行抗击后撤守。10日，中国守军第五十八军增援大云山，收复该地区。13日，中国守军与日军第四十师团在甘田地区遭遇，发生激战，至17日，日军主力于新墙河北岸展开，完成了对湘北攻击的部署。
18日拂晓，日军第四师团沿粤汉铁路向长沙前进，作为铁路中枢的长沙一旦失手，中国危矣！与此同时，日军独立第十四混成旅团向洞庭湖南岸深入；日军第三、第六、第四十师团由港口至新墙市一线强渡新墙河，迅速突破中国守军正面防线，继续南进，抵达汨罗江北岸地区。汨罗江一失，长沙门户洞开。
为阻止日军向长沙推进，第九战区电令各部实施反击。此时日军破译了第九战区作战命令的电报，决定放弃原作战计划，命令各师团向东挺进，于捞刀河以北地区围歼从东面侧击日军的中国军队。
21日至23日，中国守军第五十八军在洪桥，第二十军在关王桥，第四军在洪源洞以南与日军展开激战，第三十七军和第十军与日军第四、第三师团激战于神鼎山、密岩山、班召庙一带；第二军与日军第六、第四十师团各一部激战于瓮江、蒲塘地区。日军突破了中国守军第三十七军阵地。第三十七军被迫向安沙地区撤退。第二十六军被日军包围于蒲塘地区。该军于25日夜，奉命向更鼓台、石湾方向突围。第七十四军从江西赶来增援，在春华山、永安市附近地区与日军遭遇，展开激战，又遭日机袭击，损失甚重，被迫向南撤退。日军第四师团一部于27日下午渡过浏阳河，并于傍晚从长沙城东南角冲入市内，28日日军占领长沙。
长沙失守，中南震撼。中国第九战区已于27日奉最高统帅部电令，转移攻势，从各方调集增援部队陆续赶至战场投入战斗，将日军包围于捞刀河、浏阳河之间。与此同时，第三、第五、第六战区部队分别向迎面之敌发动了攻势。长沙被围的日军与后方的联络线已被切断，补给十分困难，遂于10月1日傍晚向北撤退。
至10月11日，中国军队恢复了原阵地，与日军对峙于新墙河，会战结束。
这次作战，中国军队由于指挥失误付出了相当大的代价，但是，从战略上说，中国军队取得了胜利，日军并没有击溃中国军队第九战区主力，自身却付出了20
000余人的伤亡代价，阵地完全恢复到战前状态，日军没有达到既定的战略目标。而且，中国军队第六战区乘别处日军空虚，对宜昌之敌发动猛攻，日军死伤惨重，面临彻底覆灭的危险，宜昌日本守军师长已写下遗书准备自杀，因另一部日军驰援才得以躲过灭顶之灾。宜昌作战也是1941年正面战场中国军队唯一一次主动发动的进攻战役，歼灭日军7000余人。
盟军首胜——第三次长沙会战
1941年12月下旬—1942年1月中旬的第三次长沙会战，是太平洋战争爆发以后，盟军方面获得的第一个胜利。就中国战场而言，此战是抗战进入战略相持阶段后，国民党军队获得的最大级别战役的胜利。
1941年12月3日下达的日军命令中，规定华中方向日军的任务是“确保从岳州至长江下游的交通，以武汉三镇和九江为根据地，竭力摧毁敌之抗战能力，其作战地区大致在安庆、信阳、宜昌、岳州、南昌之间”。
与此同时，中国国民政府军事委员会为了配合英军的作战，于对日宣战的当天（9日），也命令各战区对当面日军发动进攻，以牵制日军；同时还命令第四战区向日军第二十三军进攻，以策应香港英军，并令第五军、第六军和第六十六军分别由广西、四川向云南集结，准备进入缅甸直接支援英军防守缅甸。日军第十一军发现中国军队第二军、第四军由长沙附近南下，在这一情况下，12月13日，日军第十一军参谋长木下勇认为有必要牵制中国军队南下行动，配合香港作战。遂决定先发制人，向汨罗江方面采取攻势，以牵制中国军队南下，配合其第二十三军攻占香港的作战，认为这样“即使不能拖住敌人，也将给予其他重庆军队以严重威胁”。第三次长沙会战在这样的背景下爆发。长沙正好在武汉三镇与香港的交会点上，居于核心地位。拿下长沙，不仅可以稳稳拿到“九省通衢”的武汉，还可以迅速南下，夺取香港。
日军第十一军发动这次进攻战役的企图本为策应其第二十三军攻占香港和南方军队的作战，以牵制中国第九战区的兵力，阻其南下，所以原定的作战计划是进至汨罗江以南地区，给予中国守军第三十七军以重创后即撤回原防地，并无攻占长沙的目的。但阿南惟几在作战之初即有乘势攻略长沙的意图，日军第三师团师团长亦有相同的想法，曾两次提出建议。当日军渡过新墙河迅速进至汨罗江北岸时，阿南惟几认为，进攻开始以来进展顺利，日军又得到长沙守军暂编第二军南下、现市区兵力薄弱的情报，遂准备渡过汨罗江后继续南下，攻占长沙。
日军第三师团接到进攻长沙的命令后立即行动，昼夜兼程前进。30日夜到达枫林港，留骑兵联队向北警戒，主力渡过捞刀河，向长沙东南郊前进。日军第四十师团进至金井一带，牵制东面山区的中国军队，掩护其第三、第六师团的后方。日军独立混成第九旅团29日到达岳阳，立即向关王桥前进，以保障进攻主力的侧背安全。然而日军没有想到，中国军队此时早已在长沙严阵以待。守住长沙，不仅仅为了保全香港，还涉及到西南地区的稳定，中国军队不会退缩。
12月30日晚，薛岳向蒋介石报告日军当前的动态，并说“我军已按照既定计划围歼此敌”。蒋介石为防止过早使用第二线部队，致电薛岳：“敌似有沿铁道线逐步推进攻占长沙之企图。该战区在长沙附近决战时，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，我应以第二线兵团距离于战场较远地区，保持外线有利态势，以确保机动之自由，使敌先攻长沙，乘其攻击顿挫，同时集举各方全力，一举向敌围击。以主动地位把握决战为要。”
尽管日军第三师团一路狂奔赶到了长沙城下，但是进攻的最佳机会已经失去。由于大雨而暴涨的汨罗江，将日军阻挡了12小时以上。就在31日夜间，中国守军第十军调整了部署，补上了防御上最薄弱的一环。虽然在第三次长沙会战的第一阶段，日军的进攻总体来说是顺利的，但是失去的这12小时，致使日军离攻占长沙越来越远。
日军第四十师团于31日19时进入天王庙附近，但此时该师团的补给已经断绝，当地的坚壁清野又做得很出色，整个师团一个早上仅仅找到了两个白薯。
1942年1月1日8时，日军第三师团全部渡过浏阳河，以第十八联队和第六十八联队并列向长沙城东南郊区前进，11时许，向阿弥岭南北之线的中国守军预第十师阵地发起进攻。激战到16时，阵地被日军突破，预第十师退守半边山、左家塘一带的既设阵地。18时左右，阵地再次被突破，中国守军第二十九团第一营伤亡殆尽。日军继续进攻，遭到中国守军顽强抵抗，被阻于军储库、邬家山阵地前。
此时，日军第十一军情报部门破译了薛岳令各集团军向长沙附近集结、准备围歼日军的电报，阿南惟几急令第三师团加紧进攻，企图在第九战区对日军形成包围以前攻占长沙。日军第三师团当即将师团直属的第六联队第二大队由第六十八联队左翼投入战斗。日军增强力量后，于21时攻占军储库、邬家山附近阵地，日军一部兵力乘势突入至白沙岭。22时，中国守军预第十师在岳麓山重炮兵的支援下组织反击，收复了军储库、邬家山阵地，并包围了白沙岭的日军第二大队。
1月1日元旦当天，白沙岭的加藤大队被全歼是第三次长沙会战中极为重要的事件。对日军来说，加藤的死不仅仅是损失了一名大队长而已。从加藤的尸体上，中国军队得到了日军出动以来的各种计划和命令等文件，得知了当面之敌为第三师团，第六师团现位于榔梨镇，第四十师团位于金井。更重要的是，中国军队了解到日军弹药缺乏这一重要情报。中国守军预第十师缴获的文件被迅速送到了第九战区司令长官部。薛岳看到后，一方面将情况通报各部，一方面命令各集团军按照预定计划快速向长沙外围合拢、围歼敌军，同时命令第十军进行反击。
1月2日，日军第三师团继续组织进攻，将攻击重点由南门方向移向东门，集中炮火，并令日军工兵第三联队逐次爆破中国守军的堡垒群，猛攻第一九○师的四方塘、南元宫一线阵地。中国守军顽强抗击，以刺刀进行白刃格斗，日军的多次进攻被击退。守备南门外修械所高地的中国守军预第十师葛先才团（第二十八团）战至仅剩58人，终于保住了阵地。第三十团还以一部兵力秘密机动至南门外侧击日军第六十八联队，将其第七中队击歼大半，中队长丸山信一以下所有军官全被打死。
阿南惟几见日军第三师团攻击受挫，而第九战区外线兵团正向长沙地区逼近，形势严峻，但仍企图在中国守军外线兵团到达前攻下长沙，遂于2日夜令在榔梨镇的日军第六师团从第三师团右翼投入战斗，同时令在金井地区的第四十师团迅速进至春华山一带，对东部山区警戒，保障两师团的后方安全。日军第六师团留第四十五联队守备榔梨镇及附近渡口，其余兵力连夜进至长沙东北郊。1月3日拂晓，日军第六师团及第三师团同时发动攻击，第六师团进攻北门至东门间阵地，第三师团进攻东门至南门间阵地。激战终日，日军除第六师团第二十三联队第十二中队曾一度由城北向西突至湘江岸边外，其余部队全被击退。
第三师团第六十八联队第二大队在向东瓜山阵地冲击时遭到中国守军预第十师的密集火力和以白刃战进行的反击，在6时30分前后该大队被击退，大队长横田庄三郎以下的军官、士兵被打死、打伤百余人。当日晚，薛岳为加强长沙防守和反击力量，令中国守军第七十三军暂第五师接替第七十七师荣湾市一带的防务，而令第七十七师渡过湘江至长沙城内，归李玉堂指挥，为第十军的预备队，控制南门口附近。
数日的争夺，尽管日军取得了一定的进展，然而，对于日军来说，此时一个更严峻的情况已经摆在面暂前：日军的弹药已经告罄。部分日军已经被迫用刺刀作战。另一方面，至当夜，日军第三师团的伤亡已经达到700人。当日晚间日军第六师团一部进袭中国守军第一九○师第五六九团阵地，被中国守军击退。此时日军虽将全部兵力投至一线，但已无力组织强有力的攻击，被迫改为守势作战。
