一、外圍攻防戰

1941年12月24日，阿南惟幾下令進攻長沙，當日下午日軍三個師團組成的主力部隊向新牆河中國守軍第20軍和第58軍陣地發起進攻，當日傍晚恰逢寒潮過境，湖南經歷少見的低溫和大雪，氣溫從12攝氏度下降至零下5攝氏度，道路十分泥濘，日軍的機械化裝備優勢被削弱。日軍通過炮火攻擊、夜襲等許多方法展開進攻，雙方激戰兩天一夜，均有傷亡。

日軍見直接衝擊無法奏效，便大量使用燃燒彈，守軍的防禦工事遭到火攻，防守江邊陣地的國軍傷亡過半，戰至第三日下午，日軍主力成功突破中國軍隊第一道新牆河防線，並繼續向南方汨羅江突進。守衛防線的兩支國軍部隊則依照計劃對南下日軍進行逐次抗擊，隨後讓開正面向汨羅江二線陣地和兩側山區轉移。

1941年12月27日，日軍開始向汨羅江發起進攻，國軍負責防守汨羅江主力是第37軍和從新牆河撤下的58軍，而第20軍則在平江和平江以北地區布防，中國軍隊的防線呈現「倒八字」陣型。日軍將攻擊重點放在長樂街方向以求儘快推進，依靠強大的炮火優勢和空軍支援，不到3日即突破了汨羅江陣地，中方第20軍向東轉移至山區，第37軍和第58軍則向高橋一帶和汨羅江、撈刀河之間轉移。

由於汨羅江大部地區以南原本就是田野，外加雨雪天氣導致道路泥濘不堪，可以通行的大路也早已被湘北地區的百姓破壞，日軍渡過汨羅江後，重機械化裝備如坦克和重炮等反而成為累贅。

如果依據先前的計劃，日軍此次長沙作戰之「牽制中國軍隊以策應香港作戰」的原木地已經達成應可撤退，但日軍經過約一周激戰後已順利推進至長沙城外，使阿南惟幾認為此次可以順勢攻佔長沙，因而繼續命令部隊向南進攻。然而中國軍隊正是按薛岳「天爐戰法」的計劃，故意向兩翼撤退，誘使日軍進入「爐底」。

二、長沙城攻防戰

長沙城位於湘江東岸，隔江對岸的嶽麓山是俯瞰長沙全城的制高點，原有的城牆早已拆除。日軍為迅速接近長沙城的核心以儘快攻下長沙，並沒有採用逆湘江而上先佔嶽麓山制高點的進攻路線，而是把湘江東岸作為攻擊重點，由正面進攻。第九戰區防守長沙的是李玉堂所部第十軍，這支部隊在第二次長沙會戰中曾因作戰不利而遭批評，軍長李玉堂也被撤職，因為暫無接替人選而留任，因而此戰對於李玉堂和第十軍而言都是「戴罪立功」的最後機會。第十軍部隊和長沙居民協力在長沙近郊和城內都布置了周密的防禦體系。為防止日軍從湘江水路迂迴進入，在長沙南北兩側湘江水域佈下水雷封鎖，湘江對岸嶽麓山也布置國軍炮兵對城內守軍進行火炮支援。

1941年12月31日，日軍第3、第6和第40這三個主攻師團分別進抵長沙城外，並依據計劃分別從北、東、南三個方向向長沙發起進攻。1942年1月1日，日軍攻勢更加猛烈，日軍和國軍第十軍的主力—方先覺所部預10師首先在長沙南郊的金盆嶺至猴子石一線附近展開激戰，所部29團依託陣地和迫擊炮奮力抵抗，日軍也在飛機和火炮掩護下向守軍陣地發動了多次猛烈衝鋒，戰至上午10點，陣地被日軍攻佔。日軍隨後推進至由第28團防守的二線陣地，28團團長葛先才率部奮力抵抗一步不退，日軍進攻受阻便將主攻方向改向東面和背面，並成功攻佔了東郊和北郊的全部陣地，僅有預10師的陣地仍然未被攻佔，28團團長葛先才因戰功而被國軍統帥部破格提升為「少將團長」。

元旦過後，日軍攻勢趨於猛烈，薛岳不顧勸阻堅持將指揮所設置在長沙城邊的嶽麓山就近督戰，並發布遺囑電報「如戰區司令長官殉職，則以副司令長官羅卓英代行其責」嚴令第十軍「固守長沙，不得退縮」。1月2日，日軍憑藉強大的火力優勢繼續向長沙市區發動猛攻，中國守軍按計劃退守第二線陣地，其中以修械所一帶的戰鬥最為激烈，日軍對國軍陣地發起了以營為單位的集團式衝鋒，將28團固守的冬瓜山陣地攻佔，下午，第29團發起反攻，收復陣地，原本位於第三線防禦陣地的第30團也主動出擊支援二線友軍，第十軍部隊協同在白沙嶺地區殲滅進入長沙市區的日軍加藤大隊並擊斃大隊長，從其身上搜得大意為「彈藥匱乏，補給告急」的機密文件。由於此一情報，薛岳決定根據戰前部署和敵我雙方態勢開始部署後續對日軍的圍殲計劃。

1月3日，長沙城內的戰鬥更加白熱化，日軍兩個師團在火力掩護下集中兵力發動步兵強攻，先後攻佔了守軍二線陣地中的開福寺和陳家山，戰至下午4時，日軍第3師團工兵營攻入長沙市中心，李玉堂立刻令所部另一個主力師第190師進行封鎖和阻擊，雙方對制高點進行了激烈爭奪。此時，預10師師長方先覺認為，若二線陣地被日軍突破就只能據守城垣，因此必須清除城垣前的射擊障礙，於是下令將妙高峰下的長街全部焚毀。此時湘江對岸嶽麓山上的炮兵也利用地形上的優勢，向城內的日軍進行了猛烈的炮火打擊，造成攻城日軍大量傷亡。

1月4日，日軍再次對長沙市中心發動全面猛攻，雙方在國貨陳列館和湘雅醫院等重要位置爭奪，嶽麓山炮兵則依靠東北風的有利風向繼續對日軍進行炮擊。經過數日的激戰，第十軍傷亡已接近三分之一，但士氣不減，繼續在城內與日軍進行巷戰。

此時，薛岳正在調兵遣將準備圍殲長沙城內日軍，而阿南惟幾依舊命令所部儘快攻下長沙城。入夜，中國軍隊已經到達日軍背後對日軍形成夾擊，此時阿南惟幾仍執著於攻佔長沙。5日，時任十一軍的參謀長木下勇少將和其他參謀全體力勸阿南惟幾立刻下令撤退，日軍於是向東山等方向撤退同時發起最後進攻以作為掩護，攻佔長沙的計劃宣告放棄。

三、撤退與追擊

在日軍大舉進攻長沙城之時，薛岳已開始部署對日軍後期的殲滅戰，蔣中正亦應薛岳請求，將先前從第九戰區調走的第四軍和七十四軍調回，並增援七十三軍和九十九軍交由薛岳調配。薛岳得知日軍臨彈藥缺乏且補給困難之後，立刻電令第九戰區共九個軍的兵力從東南、東北、西面和北面四個方向對日軍進行合圍。具體部署如下：第二十六軍和第七十三軍在瀏陽河一線向北追擊；第四軍由株洲向北追擊；第五十八軍和第二十軍在汨羅江由北向南堵擊；第七十八軍和第三十七軍由東向西截擊；第九十九軍在石子鋪以北新市以南由西向東截擊。

1月5日就在第九戰區的反攻部隊已經打到長沙城外圍日軍背後之時，阿南惟幾才被迫下令日軍全線撤退，於是日軍遭到中國軍隊的猛烈攻擊，此時湘北天氣又轉向惡劣使得日軍飛機無法進行支援。國民革命軍第二十軍和第五十八軍日軍撤退之路上截擊日軍，日軍先頭部隊遭到阻擊後才知路上有中國軍隊攔擊，次日拂曉以主力向國軍陣地猛攻，第二十軍主力133師全力頂住了日軍的反撲，日軍正面進攻受挫則改為夜襲，將第五十八軍的第10師擊潰。但在撈刀河與汨羅江之間日軍撤退極為艱難，國軍第20軍和第58軍在影珠山和古華山對日軍發動伏擊，日軍最終突破了國軍的在此地的包圍，但傷亡破大並也奪取不少武器。由於日間行軍易遭發現因此日軍多選擇夜行，然而由於夜間不熟地形導致無法正確辨別方位，抓捕中國百姓帶路則基本都會被帶進國軍的伏擊圈。尤其日軍第六師團是之前參加南京大屠殺的主力部隊，早在會戰開始時中國軍隊中就出現「和第六師團同歸於盡！為死難同胞報仇雪恨！」的口號，因此在撤退中第六師團先後遭到第七十三軍和第九十九軍等部隊猛烈的攻擊，傷亡慘重。日軍為突破包圍也奮力接戰，在彈藥不足和補給匱乏的情況下，頂住國軍的炮火以白刃戰法進行突圍，戰至1月8日，第6師團終於突破撈刀河，向汨羅江開進。

此時，阿南惟幾突然改變命令，令第6師團改變行軍路線並且必須在在前進中消滅國軍的截擊部隊，使得第6師團再次陷入國軍7個師的包圍，戰鬥極度被動。日軍為了救援被國軍圍追堵截的部隊，派出第9混成旅團南下接應，但在影珠山遭到國軍部隊的抵抗未能達成目的，第9旅團山崎集成大隊被國軍全殲。第3師團大青山一帶遭到國軍第四軍、第二十六軍和第七十八軍的攻擊，師團長豐島房太郎負傷。第40師團沿途遭到第三十七軍和第七十八軍輪番多次的側擊和截擊，其中第236聯隊損失慘重，多名軍官陣亡。1月14日，日軍終於渡過汨羅江向新牆河推進。

1月14日至1月16日，第九戰區所部第20軍、第37軍、第58軍、第73軍、第78軍等部在汨羅江之新牆河之間地區向日軍發起攔擊擊、追擊和側擊，雙方發生四次激烈的包圍與突圍戰鬥，部分國軍部隊甚至追過新牆河攻入原本的日軍防區，然而始終未能對日軍形成完整的包圍和殲滅。日軍儘管在撤退中傷亡慘重，指揮系統仍能有效發揮。1月15日戰區天氣轉好，阿南惟幾立即派出18架飛機進行低空轟炸，在空軍的掩護下，日軍在1月16日成功突圍並撤回到新牆河北岸。，交戰雙方依舊恢復沿新牆河對峙的戰前態勢，第三次長沙會戰至此全部結束。

歷史影響：

第三次長沙會戰緊接太平洋戰爭而爆發，當時日軍一路勢如破竹，同盟國軍隊接連敗北。在此形勢下，國民黨軍隊取得了第三次長沙會戰的勝利，這不僅對中國國內，對同盟國來說也是意義重大。因此引起了盟國，特別是英、美的廣泛關注。1942年1月1日會戰還在進行中，26個反法西斯的國家在美國華盛頓集會，發表聯合宣言。中國與美國、英國、蘇聯被列為四大強國，代表在宣言上簽字。1月3日，盟國成立中國戰區盟軍統帥部，經羅斯福提名，由蔣介石出任盟軍統帥部最高統帥，統一指揮在中國的美國軍隊以及東南亞越南、泰國的軍隊對日作戰。

大捷後的羅斯福發來賀電，同時宣佈再次向中國提供5億美元的貸款。隨後以羅斯福總統夫人的名義，邀請蔣夫人宋美齡訪問美國，在美國國會發表演說。並且透過駐華美軍司令官、中國戰區參謀長史迪威，授勳給第9戰區司令長官、第三次長沙會戰的總帥薛岳。美、英政府亦主動向中國提出，廢除西方列強與中國歷屆政府簽訂的一系列不平等條約，歸還上海、廈門等地的公共租界，取消領事裁判權。

因此國軍此役不僅鼓舞了抗日戰情，最重要的意義在於大幅提升中國國際地位，使英美各國認同中國抗戰的實力，開始給予應有的尊重並願意提供更多協助。