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在薛嶽的指揮下，中國軍隊在面對日十一軍南下的攻擊中，只是誘敵深入、進行象徵性的抵抗，就轉進後撤，等待側擊合圍的機會。日軍在順利渡過汨水之後，就已經接到香港英國軍隊投降的訊息，基本上而言，日本十一軍的牽制作戰任務，已經沒有必要再繼續進行，日軍應該可以返回陣地了。
但是，這時阿南惟幾卻認為，日軍既然已經順利地攻到長沙的半途，只要日軍堅持挺進，第九戰區中國軍隊的主戰已被抽調而顯得空虛，南調的部隊回防速度比較慢（中國軍隊的運動在抗戰期間幾乎全靠徒步行軍），中國軍隊是擋不住日軍之攻勢的，那麼日軍如果攻下長沙，當然是中國戰區的大功一件。事實上，由於英、美、荷的部隊，在太平洋各區被日本南方軍打得一路敗逃，相當地刺激到在中國戰區日軍的心理。假如中國派遣軍不能有所表現，那麼所有的光彩都要被日本南方軍拿走了。何況阿南對於上次沒有順利攻佔長沙，更有著強烈要報仇的心理。
剛好日軍第三師團長豐島房三郎中將，也有同樣的想法，他剛剛接到命令，準備調任近衛師團長，因此也想要立下個可以吹噓的戰功，他眼見中國軍隊抵抗的戰力不強，自己的軍隊已攻到長沙外圍，因此特別要求阿南允許日軍繼續南下，攻佔長沙。於是阿南決定以戰場指揮官獨斷的命令，改變日軍的作戰任務，下令第十一軍繼續深入湖南，直下長沙。
這時薛嶽對於長沙會戰所有的軍力部署，早已是瞭若指掌，因此下令第十軍李玉堂堅守長沙市區，特別在市區的東南高地，佈下巷戰的陣勢，並且將重炮兵旅放在嶽麓山，設立了俯視全城的炮兵陣地。蔣介石已下令第四、七十三、七十四、九十九軍，兼程回防第九戰區，交由薛嶽指揮，準備迎頭痛擊日軍的攻勢。
此時剛好湖南遭到數十年罕見的酷寒氣溫與雨雪，日軍必須冒著空前的嚴寒氣溫強襲長沙。日本第三與第六師團在十二月三十一日，攻到了長沙市區，中日兩軍在市區爆發激烈的巷戰，這時中國軍隊在嶽麓山的重炮發生了決定性的打擊力量。進入長沙的日軍遭到非常猛烈炮火的壓制，中國守軍又拼命抵抗，原先日軍認為自己乘虛強襲長沙，已是十拿九穩的戰局；阿南惟幾眼見先鋒部隊已經進入到長沙城內，所以就搶先回報日軍總部，宣佈第十一軍已經攻克長沙，這是日本中國派遣軍做為對日本國的新年獻禮，這個訊息對於兩次沒有攻下長沙的日本而言，當然是喜上加喜，立刻釋出新聞號外，日本上下立刻組織慶祝，以歌頌日軍終於攻克長沙的“神威”。
不料中國軍隊奮勇抵抗，日軍在長沙陷在巷戰與肉搏戰之中，由於日軍所攜帶的補給並不充足，攻勢一旦陷入纏鬥的階段，日軍的戰力就迅速地下降，嶽麓山中國軍隊的炮兵陣地，更是發揮極大的殺傷效果，這時攻到長沙的日軍，補給線被切斷，只有靠空投補給品支援。日本新聞釋出日軍已經攻陷長沙的快報，竟然成為全球的最大笑話，為日本發動太平洋戰爭無敵的完勝新聞中，留下一個刺眼的負面訊息。
這時候，蔣介石下令回防與支援第九戰區的各軍，星夜趕到長沙外圍。薛嶽立即讓七十三軍的一個師，先渡江進入長沙市區增援守軍，以提高第十軍計程車氣，然後下令進入包圍位置的部隊，在一九四二年一月四日，對日軍發動全線的反擊。這下日十一軍既無法攻下長沙，腹背又同時受到中國軍隊的打擊，一時之間，日軍的陣勢大亂。
但是阿南惟幾沒有立刻下令日軍撤出戰線，反而要求日軍再進行猛攻，以佔領長沙，突破中國軍隊的包圍。這時十一軍的參謀長木下勇少將，以及全體的參謀，都發現日軍在長沙的局勢已經十分危急了，日軍若是再不迅速地脫離戰場，恐怕就要遭到無法收拾的下場。木下勇率領日本第十一軍的全體參謀，向阿南提出反對意見，才迫使阿南在最後一刻，同意參謀長的要求，下令日軍設法儘速退出陣地。這時中國軍隊已經從各個戰線合攏過來，日軍的補給不足，又沒有足夠的第二線預備隊兵力的支援，於是日軍一路退，一路被打，跌跌撞撞地到處找渡河口，卻到處遭到中國軍隊的攻擊，情形既危急又狼狽。
不過由於趕到參與圍殲日軍的中國部隊，並沒有完全到齊，也沒有整備完成，就直接投入戰場，因此兵力運用不夠完整集中，同時中國軍隊對於渡河據點的掌握不夠確實，以致在殲滅日軍補給據點上，沒有發揮決定性的攻擊力，使得日軍仍然可以找到渡河口，以及接上補給。一路往北奪命而逃的日軍部隊之中，日本的第六師團，一度被中國軍隊圍住，幾乎彈盡援絕，阿南