此时，蒋介石从重庆打来电话，指示薛岳，“我第二线兵团应由战线稍为后退配备，占领外线有利位置，以主动把握战机，容敌先攻长沙，我则乘其进攻受挫时，集中全力从各方面攻击敌人。”
显然，蒋介石的意图与薛岳的“天炉”相吻合，两人构思的部是一场在后退中包围敌人，再行歼灭的大战。
此次会战，经历了三个阶段。
第一阶段：1941年12月24日至12月31日。日军大举进攻，第九战区各部队节节抵抗，诱敌深入。
第二阶段：1942年1月1日至1月4日．日军进攻长沙城，钻进“炉中”，第九战区各军将敌包围。
第三阶段：1942年1月4日至1月15日。第九战区“烧烤”日军，敌军决计突围。
第一阶段战斗。
1941年12月24日，夜。中原大地。风雪弥漫，天寒地冻。
阿南为了就近指挥，把军指挥所推进到岳州，在这风雪交加的夜里，他向集结于新墙河北岸的部队下达了进攻命令。
第6、第40两个师团，在强大炮火掩护下，徒涉冰冷的新墙河，向南进攻。
杨森集团军第20军之133师和134师，在新墙河南岸第一线即设阵地上，顽强阻击，使敌无法进展。
25日拂晓。
阿南命令第3师团和泽支队投入进攻，并增强炮火力量。天亮以后，第44飞行战队的的飞机也一齐出动，对守军阵地狂轰滥炸，掩护地面部队进攻。
守军第20军在第一线与敌激战三天三夜，予敌大量杀伤，随即按照预定计划撤出战斗，退避侧后。
12月26日。
阿南司令官根据飞机侦察的情报，对汩罗江南岸的第37军，作出了错误判断。该军本来是在此吸引敌军主力，阿南却完全上了当，对他的部队发出这样的命令：
敌第27军以第60师、第95师在瓮江、桃花、桐子山、湖源山、磨石山一线，又以第140师以花门楼至周家湾一线，占领阵地，企图长期战。……
于是，阿南命令第3、第6、第40各师团主力，加快进攻速度，向汩罗江岸推进，务于12月29日天亮前，向汩罗江南岸进攻，以迂回包围第37军，并吃掉该部队。
日军这三个主力师团争先恐后向前突进。第3师团跑得最快，于27日上午就赶到了滔滔作浪的汩罗江北岸。于当天下午，提前强行渡河。
第37军99师与敌第3师团勉强打了一下，便不知撤向何处去了。
阿南见第3师团攻过了江，大喜过望，决定扩大战果，命令其他师团加紧渡河，快速迂回包围37军。
但是，当第6师团和第40师团赶到汩罗江畔时，江水却陡然上涨，不能涉渡，江上的桥又被中国军队给炸了。日军这两个兵团只得冒着严寒在汩罗江上进行艰苦的架桥作业。
12月28日。
正急于歼灭第37军的阿南中将，猛然发觉自己以前的判断有问题，因为第37军的三个师不但没有要在原来的阵地上作长期死守，连短期战也不准备打了。其中第60师已由大湖岭、梧岗源、大平岭一带退去；第95师的情况更复杂，跑到什么地方去了也弄不清楚，好像是往麻石山、大头岭方向去了；第140师的情况也不太明，好像要以金井为中心，在象鼻桥东侧南北高地一线，向西配备。
其实，薛岳已将第37军调归玉陵基集团军。王司令正指挥该军向侧面山地后退，以便空出大道，让日军去攻长沙城。
日军各主力兵团根据阿南的命令，渡过汩罗江后，由于找不到攻击目标，处于彷徨之中。
是进是退？阿南也彷徨了。直到12月29日下午5时许，侦察机才从天上向他报告：“敌军正向长沙方面退却，”
进退维谷的阿南司令官，狠了狠心，决定向长沙进攻。本来，像进攻长沙这样远距离的大兵团作战，是需得到南京的中国派遣军总部和东京大本营批准的。可是现在，阿南已顾不得那么多了。因为他亲率大军出击，已在新墙河岸付出了不小的代价，现在就这样灰溜溜的退回去，未免太损大日本皇军的面子了。
12月29日，傍晚。
阿南又一次错误判断中国军队的运动，以为是在退却逃跑，于是，发出进攻长沙的命令。
一、敌有向长沙和金井方向退却之迹象。
二、本军司令官决定以主力向长沙方向追击。
各师团接到进攻长沙的命令，争功取胜心切，又争先恐后朝长沙扑来。
第3师团士气最高，昼夜兼程，一路上未见到一个中国兵的影子。一路顺风，于12月31日下午，赶到了浏阳河畔，争相涉水过河，向长沙城挺进。
第6师团于12月30日下午进至麻石山、鸭婆山地区，遭到37军95师阻击，只打了几个钟头。日军见中国军队甚少，无意在此纠缠，直向长沙奔去。
第二阶段战斗。
1942年元旦。长沙地区浓雾紧锁，寒风凛冽。
第3师团大队人马在浓雾中向长沙城挺进。一路上风声鹤唳，仍不见一个中国士兵的踪影，都以为中国军队已被大日本皇军吓破了胆，逃得无影无踪了。将到长沙市郊，日军便看到了他们的飞机从天上投下的一面标志占领长沙的太阳旗。
第3师团数万官兵顿时欢呼雀跃，狂呼大喊，今晚将在长沙城热热闹闹地庆祝元旦。
上午11点钟。一颗信号弹划破浓雾紧锁的天空。日军第3师团在丰岛中将指挥下，开始向长沙城进攻。
日军前面出现一些零散的中国军队。他们见了日军，掉头就往市区里跑。
日军见了这情形，士气更加高涨，不顾一切地穷追猛进。丰岛师团长据此估计，最迟到本日黄昏，便可占领长沙全城。晚上限可在城里放军休整。其实，这些零散的中国军队，是第10军的前哨警戒部队，其任务是故意逗引敌人的。第3师团前锋的野联队猛追到城边，突然遭到守城的第10军猛烈射击。日军后续部队源源赶到，陆续投入攻城战斗，直打到黄昏6点半，仍未能前进一步。
丰岛中将命令师团直辖的夜袭部队——加藤大队投入攻城。
加藤大队长亲自带领部队趁黑夜“摸夜螺丝”，结果，被守军全歼。加藤本人也被打死。加藤身上带有日军出动以来的计划、命令等重要文件。丰岛恐其落入守军手中，组织大批人马抢尸，结果，加藤尸体被守军抢去。
守军从加藤尸体身上搜出重要文件，当即送交战区司令部。薛岳从这些文件中判断出日军粮袜弹药将尽的情况，禁不住拍案大喜“一纸虽轻，胜过万挺机枪！”
第3师团在城东南苦战两夭两夜，死伤盈野，仍然毫无进展。
1月3日，拂晓。
第6师团主力赶到，从城东北发起强攻。下午1时许，日军一部攻占了城外阵地。日军正在阵地上欢庆胜利，湘江西岸的守军榴弹炮群突然怒吼起来，炮弹如急风暴雨般落到城外阵地上，炸得日军血肉横飞。
一千多名日军向湘雅医院守军进攻，被岳麓山上飞来的炮弹，尽数炸成肉泥。
攻城已经是第3天了，日军弹尽粮绝，只能靠飞机空投接济。有的部队子弹打完，只得和中国军队拼刺刀。
第11军司令部里，充满了失败泄气情绪。军参谋长、副参谋长和作战参谋们，都一致主张中止攻城，尽速撤退。
阿南司令官火爆爆地把部属们狠狠训斥一通：“第6师团今天早晨才刚刚投入攻城战斗，自然还未取得战果，现在中止攻击，实属过早不当。”
阿南将军还蒙在鼓里，他的厄运在五天前就已注定了。
1941年12月30日下午。
薛岳向第九战区各部队下达命令：
一、敌已渡过汩水，企图进攻长沙，我军决定采取向心攻击，一举围歼敌军。
二、杨森副司令长官应以第58军自长乐向安沙，以第20军自清江口向石子铺搜索并攻击敌人。
第一次、第二次攻击到达线如下：
第一次攻击到达线：在湘江东岸从东、南、北三个方向对长沙构成半图形包围圈。具体位置为安沙、赤石河、春华山及郎梨以东、东山以南一线。第二次攻击到达线：在第一次到达线内侧，具体位置为石子铺、望仙桥、长桥、朗梨市、东山一线。
三、王陵基副司令长官应以第37军自瓮江向望仙桥，以第78军自三角塘向长桥搜索并攻击敌人。
四、罗卓英副司令长官应以第26军主力自洞阳市向朗梨市，以第79军主力自金潭向黄花市，根据情况向朗梨市，以一部向渡头市或东山，以第4军向长沙南侧分别攻击。
五、第10军固守长沙，第73军固守岳麓山，待各兵团进至第二次攻击到达线，即应断然反攻。
六、第99军第197师应防御湘江，洞庭湖岸。第92师应自三姐桥，第140师应自粟桥。分别专攻捞刀河之敌。第99师应固守湘江东岸阵地，并派一支有力部队向粟桥、福临铺攻敌侧背，截断其补给联络线。
七、各军以1942年1月1日零时为期开始攻击，4日夜前即应进入第一次攻击到达线。
1942年1月3日。
日军攻城第3天，第九战区各路大军正日夜兼程，从四面八方朝长沙压来，
东南面，罗卓英的第79军、第26军、第4军各部，已快迫近长沙；
东北面，王陵基指挥的第37军和78军，分左、右两路，沿金井至长沙的公路，快速挺进，也已迫近长沙；
西面，第73军守卫在湘江西岸，随时准备反攻；重炮兵旅居高临下日夜轰击着攻城的日军。
北面，杨森的第20军和58军，已断日军归路，并配合二十万民众，大肆破坏日军后方公路。桥梁：日军后勤运输已被完全卡断。
1月3日，夜。
阿南终于感到情况不妙，下令撤退。
1月4日。
蒋介石致电薛岳将军：“此次会战，举世瞩目，各部务必不惜任何牺牲，发扬高度攻击精神，施行坚决勇敢之包围，聚歼残敌，以求获得空前胜利与光荣战绩。”
薛岳向蒋介石回电表示：“本次会