第二次长沙会战的战役经过
大云山地区战斗
大云山地区的战斗是本次会战的前奏，但持续了10天。
大云山位于新墙河以北数公里处，海拔960米，是第九战区的重要前进阵地之一，山顶由第4军1个加强营守备，其西侧为第4军第102师第306团，东侧为第58军新编第11师的1个步兵营。会战前守军不断派出小部队向日军后方袭击，破坏其交通设施。
日军第11军为准备实施“加号作战”，掩护其主力向新墙河以北集中并隐蔽展开、占领较大的渡河地带，命令原在岳阳地区担任守备的第6师团对大云山进行扫荡，解除这一侧后威胁。9月7日晨，第6师团第23、第45联队在航空兵支援下从忠坊向大云山北侧雁岭、詹家桥展开进攻，遭守军阻击后向东南侧迂回；其第13联队向大云山西侧进攻，与守军第102师发生激战。这时，第27集团军发现鄂南咸宁地区日军第40师团向湘北调动，判断是与第6师团换防，日军向大云山的进攻，是换防前的例行攻势。于是于7日18时命令第4军确保大云山，命令第58军派出部队协同第4军作战，并命令第20军准备从通城向西侧击日军，乘日军换防时给以打击。
1941年（民国三十年）9月8日至9日，日军第6师团主力继续向大云山东侧猛攻，守军虽奋力抵抗，但因日军兵力、火力均处于优势，堵击无效，乃弃守大云山。10日，第6师团主力认为已完成扫荡任务，撤离大云山，向桃林方向集结，其第13联队则在甘田、团山坡附近被中国第102师和第59师一部所阻，陷于苦战。同日，中国第58师收复大云山阵地，向大云山增援的第37军第60师亦已到达战场，第27集团军遂命新编第10师、第59师、第60师包围并歼灭当面日军，定于次日拂晓开始攻击。11日，正当这3个师与第13联队激战时，由咸宁西进的日军第40师团重松支队（以1个步兵联队为基干组成）赶到甘田，接应第13联队向草鞋岭撤走。12日至14日，中国军队继续向重松支队展开进攻，双方在甘田、团山坡的狭小区域内互相争夺，伤亡均重。此时第九战区仍未判明日军进攻长沙的企图，依然认为日军向杨林街以北的甘田进攻是掩护其撤退的动作。如薛岳14日致蒋介石电称：日军“扫荡我大云山后，南渡新墙河窜扰。经判断敌又师上高时第33师团以进为退之故伎”。
15日，日军又以刚从赣北开来的荒木支队增援，战斗极为激烈。这时，第九战区发现日军已有4个师团以上的兵力集结于湘北，方发现日军有即向长沙发动大规模进攻的迹象，遂令第27集团军主力向新墙河以南转移，大云山战斗至此结束。
关于大云山战斗，日军战史中有如下记述：在会战发起前，第11军“曾令第6师团扫荡了横亘于开阔地东侧的大云山（标高1000米），因兵少山大，不仅没有收到多大战果，反而于9月10日引出了重庆正规军4个师的大攻势。按照作战部署，那一带被指定为第40师团负责扫清的开阔地。该师团自11日逐次进入，突然与上述之重庆军不期遭遇，各部被迫陷入苦战。15日夜，日军才得悉这一情况，立即把荒木支队投入战斗，吃到了没有预料到的苦头。”
新墙河地区战斗
1941年（民国三十年）9月17日，由各地调往湘北的日军已全部集结完毕，进入进攻出发地位。由于接受了第一次长沙会战时兵力分散的教训，阿南惟几将进攻部队并列部署于狭窄的正面，以期进行纵深突破。44个大队及322门火炮和迫击炮展开于新墙河以北仅20公里宽的正面上。仅派独立混成第14旅团第63大队（平野支队）乘船溯湘江南下，进攻青山、营田，掩护其右侧翼，并策应正面主力作战。各部队进攻出发的具体位置是：第14旅团63大队位于岳阳附近，第4师团位于三港嘴北侧，第26旅团（早渊支队）位于青风驿附近，第3师团位于筻口附近，第6师团、独立混成第14旅团的步兵第62大队（江藤支队）位于草鞋岭附近，第40师团位于马家桥附近，第33步兵团（荒木支队）位于甘田附近。
第九战区在新墙河南岸的守军为第4军的第59、第102、第90师和第60师（由第37军配属），大都是经过大云山战斗、于18日拂晓前才从新墙河北岸撤回而仓促进入阵地的。第58军、第20军奉第27集团军的命令加入新墙河南岸布防，尚未到达指定位置。
9月18日，薛岳根据预定的在汨罗江两岸与日军决战、反击而歼灭日军的计划，命令第37军（欠第60师）守备浯口至骆公桥之线；第99军的第99师守备络公桥以西、营田至湘阴之线；第92师推进于三姐桥以北，占领阵地，统归第37军军长指挥，坚决阻击日军；第26军主力即由浏阳开赴金井附近；第72军改调平江，准备作战。随后，第九战区又命令第27集团军各军向汨罗江以北日军侧背的长乐街、磨刀石、归义、新市等地攻击，迟滞其南进；命令第26军由金井向瓮江推进；令在衡山、渌口的第10军即向高桥、金井一带开进。
18日拂晓，日军发起全线攻击，在炮兵、航空兵火力支援和战车协同下强渡新墙河。第4军各师凭借既设阵地抗击日军。第102师正面抗击日军第4、第3、第6师团的集中攻击，战斗尤为激烈。数小时后，日军渡河成功，突破守军第一线阵地。第4军乃转入长湖东、西第二线阵地，继续抵抗。日军第3、第4师团及早渊支队沿粤汉铁路两侧地区迅速向南突进，第3师团一部迂回至第4军侧后。日军平野支队也搭乘海军舰艇沿洞庭湖东侧前进至湘江口的青山附近登陆，与主力协同，向该方面守军第99军展开进攻。至16时，第4军第二线阵地又被日军突破。该军军长欧震鉴于日军兵力占优势，攻击猛烈，且有空中支援，正面阻击已不能奏效，遂令各师逐次掩护，向关王桥以东山地转移，占领有利阵地，以便于尔后机动或侧击日军。
同日22时30分，第九战区为加强湘北方面主战场力量，令第72军从修水、三都地区西进至通城附近，并指挥暂编第54师，准备担任该方面的反击作战；令第20军（缺暂编第54师）进至王安屋、朱公桥方面，协同第58、第4军向西侧击渡河南进的日军。
19日，第20军由桃树港向朱公桥疾进，黄昏到达指定位置。第58军在高家桥附近与当面日军激战。第4军第59、第60、第90师阵地均遭到日军第40师团攻击，激战竟日，双方仍在对峙中。日军第4、第3、第6师团快速向南突进，傍晚分别到达汨罗江北岸的石头铺、长乐街附近；第6师团还以一部从磨刀石渡河，与南岸守军第37军在颜家铺、浯口一带交战。这时，第九战区在汨罗江南岸担任守备的部队只有第37军（辖第95、第140师）和第99军（辖第92、第99、第197师）。
20日，军事委员会电令第九战区固守湘江两岸及汨罗江南各既设阵地，加强抵抗，保持主力于外翼，力求攻击敌之侧背；令第三、第五战区乘虚向当面敌人攻击，以策应第九战区作战。同时令第六战区向荆州、宜昌地区日军积极袭击，相机收复宜昌。23日开始实施。军事委员会除明确将第10、第26军拨归第九战区指挥外，还命令从第六战区抽调第79军、从第七战区抽调暂编第2军增援第九战区。
但第九战区9月18日发给各集团军、各军的电报被日军特种情报部门窃收并破译后送交第11军。该军原定沿长（沙）岳（阳）公路突进至汨罗江南岸后将主力第3、第4师团使用于战场西部（即湘江方面），当获悉第九战区以4个师守备汨罗江既设阵地，而将主力置于战场东部的瓮江等地侧击日军的情报后，立即改变原定部署，令第3、第4师团逐次转向浯口、瓮江东侧地区，令第40师团、第6师团从东面山地迂回，对中国第37、第26、第10军形成合围态势，予以歼灭。当日，日军第4、第3、第6师团及早渊支队从骆公桥、新市、磨刀石、浯口等渡河点强渡汨罗江，突破第37军前进阵地。守军向主阵地撤退。日军第40师团配属荒木支队，击退第4军侧击后，留江藤支队掩护补给线，主力转向新官桥、瓮江以东地区，预定经平江迂回南进。9月22日，日军在航空兵支援下向第37军主阵地攻击。双方激战3天。至24日，日军第3、第4师团突破守军主阵地，将第95师、第140师包围。第37军奉命向麻林市突围转移，伤亡甚重。
21日，当天出现日全食，日军官兵心里蒙上了浓重的阴影。 日军第6师团从浯口向瓮江北侧转进，与刚刚到达战场的中国第26军遭遇。日军凭借优势兵力节节进逼，向第26军第44师右翼包围。第26军令第32师向浯口日军后方攻击，适与第3师团后续部队遭遇，激战至23日，第32师伤亡较大，被迫后退。第26军各师有被分割危险。第九战区令第26军以蒲塘为中心，各师靠拢，阻击日军。第26军立即调整部署，令第32、第41、第44师在蒲塘四周构成环形防御。
24日，日军第40师团也加入对第26军的攻击。
25日夜，日军从东正面和南正面突入第26军阵地。第26军又奉战区命令向金井东南地区转移，与由平江南下的第72军协力作战。
这时从衡阳、渌口北上的第10军（辖第3师、预备第10师、第190师）已到达战场，奉命在高桥、金井、福临铺一线占领阵地。9月24日，由浯口附近突围南进的第37军第140师转移到金井附近，日军第3师团沿长岳公路尾追而来，日军第6、第40师团也绕过第26军右翼进至金井附近，与第10军遭遇。24日上午，日军第3师团、第6师团在航空兵支援下，分别向第10军的预备第10师、第190师发起攻击。25日，日军第3师团占领福临铺。第4师团、早渊支队也已赶来，开始向第10军第3师展开进攻。战至26日，第10军各师阵地先后被日军突破，金井、栗桥失陷。该军一部向金井东北日军后方转进，主力奉命向捞刀河以南榔梨市转移，收容整顿。
在此期间，第27集团军所属第4、第20、第58军曾奉命向日军侧后攻击，但未能达到切断日军补给线、迟滞其南进的目的。
第九战区预定在汨罗江两岸（主要是汨罗江以南）与日军决战、击灭日军主力的企图不但没有实现，在此方向担任守备的各军反被日军各个击破，损失惨重。
捞刀河和长沙附近的战斗
日军第4、第3、第6、第40师团、早渊支队与荒木支队在汨罗江以南击破中国第37、第26、第10军等部防御后乘势向南突进，于9月25日前后陆续进抵捞刀河北岸，迫近长沙。
这时，在捞刀河南北和长沙附近的第九战区各部队有：
第99军：除第197师位于湘江口南岸青山、芦林潭附近，与由该处登陆的日军平野支队处于对峙状态外，军主力（第99、第92师）位于捞刀河以北、粤汉铁路以西地区，由西向东侧击南下日军。
第72军：奉命由修水西移，已抵达平江以南，准备由东向西侧击日军。
第26军：由瓮江、蒲塘转移到石湾、更鼓台、文家场屋后稍事整顿，准备协同第72军侧击金井之日军。
第74军：奉命由江西分宜附近西移，其先头第57师已抵洞阳市，主力（第51、第58师）位于浏阳附近。
第79军：奉命由第六战区常德、澧县向长沙增援，其先头第98师于9月24日到达岳麓山，主力（第82师、暂编第6师）尚在开进途中。
暂编第2军：奉命由第七战区前往长沙增援，正由广东向株洲车运中。
第37军：以第95师在麻林市西南地区占领阵地，准备协同第74军作战。
25日，薛岳电令第79军应守备捞刀河南北地区，保卫长沙外围；暂编第2军先头部队暂编第8师，限于26日到达榔梨市待命；第74军应以2个师兼程向黄花市前进，在夏家塘、春华山、赤石河、石灰咀之线占领阵地，迎击南进日军。
但第九战区这一电报又被日军特种情报部门窃收和破译。日军第11军认为：第74军是蒋介石中央系统中最精锐部队之一，自1939年9月第一次长沙会战起，曾与第11军多次较量，是第11军的老对手，在上高会战中又碰过它的钉子，这次一定要捕捉而消灭之。第11军司令官阿南立即调整部署，令第3、第4师团向捞刀河以南突进；解除第6师团原定占领平江的任务，改向捞刀河谷推进，拦击第74军；令第40师团在扫荡金井附近地区后南下。
9月25日晚，第九战区司令长官部从长沙撤往湘潭。同日，第74军先头部队第57师到达捞刀河北岸的春华山附近时发现春华山已被日军占领，随即占领南岸天鹅山，与日军对峙。日军向天鹅山展开进攻，双方激战彻夜，至26日晨，日军被击退。第57师乘机反击，夺回春华山，掩护第74军主力集结，随后将春华山移交第58师，北向麻林迎击日军。27日晨，日军第3师团主力在空军支援下向第57师正面连续猛攻，遭到第57师顽强抗击；日军又投入第4师团一部攻击第57师左翼。第57师伤亡近3000人，仍坚守不退。与此同时，第58师在春华山、夏家塘、伍家渡一线，第51师在伍家渡、杨家滩之线，以及协同第74军作战的第37军第95师在王家冲、杨公桥一线也与日军第6、第3、第4师团发生激战。守军各部队坚守捞刀河两岸阵地，阻击、侧击日军，或主动向日军进攻，给了日军以相当杀伤，但自己也受到严重损失，第74军全面陷于苦战。至9月27日夜，第九战区命令该军撤出战斗，东向洞阳市、横江至浏阳河南岸转移，准备侧击日军。日军强渡捞刀河以后直趋长沙，其第3、第6师团则由长沙以东向株洲方面突进。
第九战区以及军事委员会原来就没有估计到日军会攻入长沙，未作在长沙近郊和市区防御作战的准备，因此日军突过捞刀河后，长沙无兵可守，市民纷纷逃难，道路为之拥塞，秩序极为混乱。分别从第六、第七战区前来增援的第79军、暂编第2军只有先头第98师、暂编第8师第1旅到达长沙，该两军主力都还在开进途中。
27日晨5时，第98师在长沙以北三窑堂、白茅铺一线与日军早渊支队遭遇，展开激战。日军以航空兵火力支援，连续突击；战斗至晚，突破第98师第一线阵地，逼近长沙。28日，日军早渊支队再攻破第98师第293团阵地，突进长沙。刚刚到达岳麓山的第79军暂编第6师奉命进入长沙，与日军展开巷战。至9月30日，日军第4师团也到达长沙，其第3师团一部曾突入株洲，与暂编第2军先头部队发生战斗，暂编第2军随即撤出。日军第6师团集结于镇头市附近，第40师团集结于狮形山附近，荒木支队、江藤支队担任掩护后方交通线任务。至此，日军第11军认为已完全达到了预期作战目的，停止了攻势。
追击日军
10月1日，日军占领长沙后由于战线太长，消耗过大，国民党第3、5、6各战区策应长沙作战的部队纷纷向各地日军猛烈进攻，特别是第六战区进取宜昌，歼敌7000余人，有如“围魏救赵”，使孤守宜昌的日军连连求救，迫使日军回援。日军即于30日从捞刀河和长沙撤退。 日军第11军下达返转命令：着第40师团先行，第4、第3、第6师团并列。其中第40、第6师团居右，经永安市—麻峰咀—长乐街路线北返；第4师团居左，沿长沙—湘阴之线北返；第3师团居中，沿左右之间的道路北返。此时，第79军赵季平师进入长沙城，日军全部迅速撤出。第20军、第58军在南山桥、梅仙以东的山地威胁日军的后方。
薛岳侦知日军退却行动后，当即命令暂编第2军、第79军各向当面日军跟踪追击；命令位于捞刀河、汨罗江南北地区的第74军、第27集团军所属各军（第4、第20、第58军并指挥第72、第26军）和第99军各依现在位置截击、侧击日军，务使其不能安全渡过新墙河。蒋介石也发电报要求“第九战区应乘敌疲惫，果敢追击，乘机占领岳阳，并应积极破坏武岳铁路，分向各路退却敌人沿途袭击、伏击，猛烈打击，使其不能退守原防；并牵制防守，滞其向武汉方面转移，以利第三、第五、第六战区之作战”。各部队按以上命令，对撤退中的日军展开追击、截击和侧击，给予一定杀伤，但未能打乱其行动。至10月9日（日军战史记载为10月6日），日军全部退回新墙河以北，恢复战役前态势。第二次长沙会战至此结束。
会战期间，在鄂南、赣北的中日军队为配合湘北主战场的作战，曾互有攻防。其中驻修水、三都附近的中国第72军发现原守备鄂南的日军第40师团西移，便向通山附近日军据点和交通线袭击，并进攻通山县城；湘鄂赣边区挺进军曾向咸宁附近日军据点进攻，一度攻克汀泗桥和羊楼司车站，摧毁了日军若干工事和通信、后勤设施。担任箬溪守备任务的日军独立混成第14旅团一部曾向武宁方面中国第78军部分阵地进攻，驻守南昌的日军第34师团曾向中国第19集团军锦江南岸若干阵地进攻。这些作战规模都很小，未能影响双方在主战场的行动。
其他战区作战
会战期间，遵照军事委员会9月20日及以后的一再电令，第三、第五、第六战区各向当面日军发动了范围广泛的袭扰活动，对日军若干据点和交通线形成一定威胁。特别是第六战区对宜昌的反攻作战发展到较大规模，使日军受到震撼。
第三战区奉命于9月23日开始全面袭击活动。其第100军（部署于鄱阳湖南侧，担任湖防）对南昌周边日军第34师团各据点频频发动攻击，前进至牛行、乐化和南昌近郊，夺占了楼前市、黄溪渡，打退日军多次反击；第23集团军（担任鄱阳湖东岸、湖口至安徽境内长江南岸防御）对日军第116师团所据守的湖口、彭泽、马当、贵池、繁昌等沿江要点多次袭击，曾突至江边布设水雷；第32集团军（担任宣城以东、太湖以西苏皖边界地区防御）曾向芜湖、溧水、武进、长兴附近日军第15师团各据点和交通线广泛袭击；第10集团军（担任钱塘江两岸至浙东沿海防御）曾向日军第22师团所据守的富阳、余杭、绍兴、曹娥、余姚、奉化、溪口附近各据点多次袭击，破坏了嘉兴间铁路；第25集团军（担任福建沿海和内陆防御）曾对厦门岛、南日岛和闽江口日军发动袭击，一度攻克南日岛。至10月20日，第三战区奉命停止攻势。
第五战区以破坏日军铁路、公路交通线为重点，于9月25日开始发起广泛袭击、游击行动。其第21集团军以大别山为基地，向广济至武汉间日军独立混成第14旅团和第40师团一部守备的长江北岸各据点以及日军第3师团一部守备的平汉铁路南段各据点袭击；左集团军（第31、第15集团军）从淮河南北地区向津浦铁路宿县以南各据点、陇海铁路徐州至开封间各据点、平汉铁路信阳南北各据点发动袭击，破坏铁路多处，并一度攻克宿县以南的板桥集；中央集团军（第2集团军）以桐柏山为基地，向平汉铁路花园至孝感间以及随县、应山附近各日军据点发动攻击，攻克独崇山、徐家店，并一度攻入随县县城；右集团军（第29集团军）以大洪山南北地区为基地，向京山、钟祥附近各据点发动攻击，破坏了京钟公路。至10月11日，第五战区奉命停止攻势。
第六战区是在1940年6月日军占领宜昌后设立的，辖区为鄂西北、湘西和川东地区，与第五战区的分界大致沿襄河（汉水）之线，以西为第六战区；与第九战区的分界大致沿常德以南的石门桥迄洞庭湖北岸之线，以西、以北属第六战区。所辖部队有长江上游江防军、第20集团军、第26集团军等***10个军27个师。当面日军有第13师团（守备宜昌、当阳）、第39师团（守备当阳以东、襄河以西）和独立混成第18旅团（掩护交通运输线）。1941年8月下旬，日军第13师团奉命抽出第26旅团组成早渊支队参加长沙作战，独立混成第18旅团调往襄河以西接替第4师团防务（第4师团也调出参加长沙作战），因而第六战区当面日军（特别是宜昌守军）大大减少。军事委员会于9月20日、21日、22日连续电令第六战区司令长官陈诚乘机克复宜昌，并限于23日开始发起攻势。这一重大行动既是策应第九战区作战，又是解除日军对重庆和西南后方的重大威胁。为加强第六战区进攻兵力，军事委员会命令将第五战区所辖第33集团军（2个军6个师）暂归第六战区指挥。
第六战区奉命后于9月23日确定部署、下达命令。大要是：以江防军（辖第2军、第94军、第8军第5师等7个师）主力攻击宜昌；以第26集团军（辖第32、第75、第39军）向当阳方面攻击，主力置于当阳以西，切断汉（口）宜（昌）公路，阻止日军第39师团向宜昌增援；以第33集团军（辖第59、第77军）向荆门方面攻击，与第26集团军协同，切断汉宜公路；以第20集团军（辖第53、第73、第87军）向白螺矶（岳阳东北）、沙市、江陵方面攻击，切断汉（口）京（山）公路西段，阻止日军向宜昌增援。各部攻击时间限于9月27日、28日开始。
但各部队事先缺乏准备，调整部署行动缓慢，直到9月30日才开始攻击。日军依托既设阵地固守顽抗，各攻击部队多与日军形成对峙，进展不大。至10月3日夜，江防军主力已完成对宜昌的包围。第六战区为迅速攻克宜昌，又令第26集团军第75军的第13师和第20集团军及第73军的第77师加入宜昌方面作战，严令各军各向当面日军奋力突击，攻克既定目标。但这时日军第11军已结束长沙方面的作战，开始向原防返转。
这时在宜昌周围和城内的日军只有第13师团的第56、第58、第104联队，诸队连日来受中国军队猛攻，伤亡颇重；守备荆门、当阳的日军第39师团也遭到中国军队围攻，不能向宜昌增援。至10月9日，宜昌东郊的慈云寺、东山寺各要点均被中国军队攻占，宜昌北面的据点也多处被突破。第13师团一面将伤员和非战斗勤务人员尽行投入作战，一面向武汉第11军告急。10月10日晨，宜昌日军烧毁了军旗和秘密文件，师团长以下军官们准备好了自尽的场地和用具，并写好了绝命书，等待最后时刻的到来。但这时日军返转部队为解宜昌之危，紧急车运，其先头已抵荆门附近，第11军决定将早渊支队及第13师团第103旅团在宜昌以东的部队都归第39师团指挥，全力向宜昌突进。
10月10日上午，中国第32军、第2军及第75军第13师等突击部队又攻占宜昌郊区多处据点，并从东面突入宜昌城，与日军展开巷战。日军以飞机20架向中国军队猛烈轰炸，并施放毒气。突击部队伤亡很大，乃撤至城外。午后，第六战区下令调整部署，准备再攻。军事委员会鉴于日军返转部队已接近宜昌，为避免陷于被动，于10月11日晨电令第六战区停止攻击，将部队有计划撤至城外，控制要点，进行休整。第六战区反攻宜昌的作战至此结束。
日军“华北方面军”（司令官冈村宁次）为策应第11军的长沙作战，10月2日以第35师团自新乡以南强渡黄河，10月4日却轻易击退第一战区第3集团军部队，占领中原重镇郑州。10月31日，第35师团虽然撤出郑州，返回原防，却在黄河南岸京汉铁路黄河大桥西侧的霸王城要点建立了桥头堡阵地，以2个步兵大队、1个炮兵大队驻守，这为后来打通大陆交通线作战创造了有利条件。