由第4师团指挥的早渊支队于30日夜间开始北撤。10月1日，该支队在捞刀河北岸遭到巧妙伪装的第98师的阻击，伤亡甚众，2个联队长被击毙，余部溃逃。第4师团主力于10月1日从长沙市区开始撤退，步兵第61联队第11中队殿后。2日，该中队退至东屯渡时被国民党军队包围，后在第3大队和16架飞机的支援下，于3日突出包围。步兵第8联队退至麻峰嘴时，受到第20军第134师的阻击，伤亡甚多，5日才到达汨罗江南岸。
第3师团10月1日傍晚由金潭附近北撤。2日在枫林港以北地区遇到第99军第99师阻击，3日进到影珠山，又遭第92师拦击，拼命突围始得通过。
第6师团殿后。10月1日傍晚，该师团从镇头市撤退，编成三路纵队北返。在福临铺及检市场等地遭到国民党军队的阻击，5日晚进到长乐附近。
10月6日，薛岳致电蒋介石：“败逃之敌自东日（10月1日）以来被我欧、杨、傅三军在汨罗江、捞刀河间猛烈截击，肖、夏两军猛烈追击。至本鱼日（10月6日）其主力狼狈渡汨罗江，北岸沿途遗尸甚多，刻我韩军先头部队已到达杨林街，正自东向西截击败逃之敌，孙军正在大荆街西方猛烈攻击，欧军已由长乐街附近渡江，协力孙军自东向西截击败逃之敌，杨军正由伍公市、新市渡江，各部猛追尾敌。傅军梁、高两师正协同肃清新市、归义、河夹塘、营田一带残敌，萧军已越高桥向长乐街，方、夏军王、赵两师已越过福临铺、新桥向伍公市、新市方面，清扫战场，策应各追击军作战，其余各部任务同前。”
10月7日，日军渡过汨罗江后，经新墙河开始向临湘、岳阳撤退。为进一步追歼北退之敌，薛岳又重新调整部署：
王劲修率3个挺进纵队及2个补充团，切断咸宁、蒲圻间之铁路、交通、通信，断敌归路，阻敌向堙水东北岸逃窜；第78军之新编第16师进攻崇阳之敌及击敌援兵，断敌归路。
第20军暂编第54师以主力攻击大沙坪，以1个团攻击羊楼洞而占领之，由羊楼洞附近切断铁路、公路之交通、通信及击敌援兵。
第6挺进纵队向羊楼洞、第7纵队向五里牌截击日军，并确实截断铁路、公路之交通、通信，断敌归路及击敌援兵。
第72、第4、第58、第20军在汨罗江、新墙河间截击、尾击敌人后，第72军向忠坊、临湘；第58军向桃林；第4军向西塘，自东向西截击日军；第20军向筻口、新墙，自东南向西北尾击日军，并力争将其压迫于岳阳附近地区加以歼灭，从而一举而攻占临湘、岳阳。
第26军集结于浯口、长乐街，推进至登龙桥、关王桥，第79军第98、暂编第6师集结于伍公市，推进至三江口、大荆街，策应新墙河北岸各军作战。
第99军第92师、第99师协力肃清归义、河夹塘、营田一带残敌后，前者在新市南神鼎山东侧地区集结，策应各方作战；后者仍任归义、河夹塘、营田、湘阴一带原防。
10月9日，薛岳向蒋介石报告：败退之敌已溃渡新墙河；从8日上午开始，第72军向忠坊；第58军向桃林；第4军向西塘；第20军向筻口、新墙河北继续猛追，各军除以一部围攻据点之敌外，主力正向岳阳、临湘东南地区挺进攻击中。
虽然第9战区对北撤日军的追击声势浩大，但由于各军在此前都曾遭到日军不同程度的打击，战斗力并不强，再加上在追击的过程中各军之间缺乏相互协调和配合等原因，并未能取得薛岳所期望的将日军压迫至岳阳附近加以歼灭，进而克复临湘、岳阳的目的。
10日前后，日军全部退回新墙河北岸，双方军队又恢复了战前的对峙态势。
在整个会战期间，为策应湘北主战场作战，日军独立混成第14旅团于9月22日从九江出发，25日向武宁方向攻击；第34师团于9月27日击退锦江北岸之国民党军队，尔后向奉新方向反转进击，牵制赣北方面的国民党军队。10月上旬，这两支部队也陆续返回原防地。
第二次长沙会战，历经月余，终于落下了帷幕。
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日军作战计划（1）
第三次长沙会战中，中国士兵乘胜追击日军的情景。
1941年秋，日美两国的谈判陷入僵局。日军大本营于是开始考虑对美作战问题。9月15日，大本营在召开的各军参谋长会议上正式通知中国派遣军：“10月上旬，决定对美国的和战问题。到10月末完成战备，从11月左右起，实施南方作战，从而坚持帝国贯彻中国事变，确立大东亚共荣圈，依靠日、德、意三国条约的方针。”
9月18日，大本营下达了准备南方作战的命令，并令中国派遣军调出一部兵力。25日，大本营又发出指示：将“在对中国作战中发起南方作战方案”作为中国派遣军制定作战计划的依据；在南方作战中，从中国抽出的部队为第21、第33、第5、第18等师团及其他军直属队、航空部队，另外第11军的第4、第6师团要集中在华中三角地带，作为大本营的预备队；在武汉地区，适当整理襄西、岳阳、南昌附近等地的兵力，收缩作战区域，在确保武汉周围要地的同时，集结若干预备兵力；若苏联参战，首先从华北方面调用3个师团，从武汉地区调出第3师团和必要的军直属部队，另为该地区增加1个混成旅团。
按照日军大本营的设想，第11军原定的作战任务就将发生重大变化。1938年10月日军占领武汉后，日军大本营给第11军下达的任务是：协同海军确保自岳阳至长江下游的交通，以武汉三镇及九江为根据地，摧毁敌之抗战意图；作战地区大体上限定于安庆、信阳、岳阳及南昌之间。
阿南惟畿此时自然不情愿大幅度收缩作战地区，白白放弃已吃到嘴里的“肥肉”。其直接领导中国派遣军也不甘心，而且他认为，收缩第11军的作战地区，应依南方军的作战成果而定，特别是宜昌，它是封锁重庆的关键地区，暂时不能将其放弃。
大本营在获息中国派遣军的这一意见后，没有马上做出答复，而是指示第11军来具体研究这个问题。但中国派遣军派往大本营的作战参谋已向第11军透露了“大本营让放弃宜昌”的意见。无奈之下，第11军在经过反复研究后，向中国派遣军总部提出如下报告：
军按照大本营计划，随着第4、第6师团的转调和第3师团的准备转调，撤离南昌、岳阳和宜昌。有必要缩小信阳、九江、德安、蒲圻、沙洋等占领区。但如果在下述条件下，到明春保持襄西地区，是可能的。
（1）停止第13师团的三单位制改编。
（2）第3师团虽改编为三单位制，但不减少人马。
（3）在明春以前大本营不调用第3师团。
（4）给我军增加1个支队（4至5个大队）。
中国派遣军总部在接到第11军的报告后，于11月4日致电大本营：在抽调出第4、第6师团，同时准备抽调军直属部队的情况下，给第11军增加1个独立混成旅团；暂不抽调第3师团和暂不将其改编为三单位制；不改编第13师团。
中国派遣军总部还在电报中力陈不应放弃宜昌的原因：
宜昌为我军占领地区中对重庆施加压力的惟一要地，现又牵制其周围的敌精锐部队主力。目前，如让这些部队在襄西平地自由活动，恰如放虎归山，对我军战术方面，显然极为不利；宜昌是迫于饥饿状态的重庆方面的最大输血路。若放弃宜昌，将使封锁作战的效果大为减弱；特别是在未收到南方作战效果之前放弃宜昌，会使重庆方面提高战斗意志，对国际上也有影响，且使国民政府（指汪伪政权）及日侨的士气沮丧。
日军大本营接到中国派遣军总部的报告后，经过研究，于11月6日正式通知第11军：除第4师团外，不抽调第6师团，并于1月中旬给第11军增加1个独立混成旅团；同时，第11军的任务和作战区域不变。
阿南惟畿在接到大本营这一通知后，欣喜若狂，并在其当天的日记中用这四个字来形容其当时的心情。
11月8日，第4师团奉命脱离第11军的作战序列，由大本营直辖，准备在上海附近集结。11月18日，中国派遣军命驻太原的独立混成第9旅团开到武汉地区，受第11军指挥。
12月3日，大本营陆军部向中国派遣军发出第575号命令：大本营为了帝国的自存自卫，建设大东亚新秩序，企图在攻克南方主要地区的同时，迅速处理中国事变；中国派遣军必须确保从岳阳至长沙下游的交通，以武汉三镇和九江为根据地，加强对敌封锁，竭力摧毁敌之抗战能力，作战地区大致在安庆、信阳、岳阳、南昌之间。
这样，日军第11军主力便没有被纳入大本营南方作战计划之中，仍执行其原来的任务。
1941年12月8日，日军偷袭美国在太平洋地区的海军基地珍珠港，太平洋战争由此爆发。
同日，驻广州的日军第23军正式向香港发起进攻。
同日，蒋介石令在长沙附近的暂编第2军及第4军开始南下，准备策应香港方面的英军作战。
12月10日，日军第11军召开各师团参谋长会议，研究下一步对第9战区应采取的策略。在这次会上，阿南惟畿训示其属下说：由于南方作战的开始，人们心中弥漫着一种认为中国方面已成为次要战场的想法，要特别以此为戒。在此时机，自始至终要采取积极手段，对重庆施加压力，至少不能松懈，要整备进攻的态势，进一步加强部队的教育训练。
12月12日，日军第11军得到了第9战区部队一部已开始南下的情报。参谋长木下勇得知这个情况后非常兴奋，他认为这正是对第9战区发动进攻的大好时机。理由很简单，但又很站得住脚：牵制第9战区部队南下，策应第23军及南方军的作战。
日军作战计划（2）
12月15日，第11军制定了具体的作战指导方案。作战发起的时间定在12月22日前后，作战期限定在两周左右。阿南惟畿清楚，在目前日本战线拉得如此广大的时候，大本营对于中国这个泥淖已无能为力，失去了彻底征服中国的信心，要扩大战场，肯定不会得到批准。他的设想是：以第6、第40师团将新墙河南岸的第9战区第20军击溃，并于关王桥附近将其捕捉歼灭；然后，随着第3师团的到达，投入第6师团的右侧，将汨罗江南岸地区的第37军击溃后，即结束作战。
中国派遣军总部很快就批准了日军第11军的这个作战方案。同时，令独立混成第9旅团及第1飞行团协同作战。
薛岳创“天炉战法”（1）
日军进入衡洲城。
第二次长沙会战结束后，第9战区上下都进行了长时间的检讨，总结有关的经验教训。
11月17日，薛岳在长沙召开战区官兵代表会议，就有关训练、作战等问题做了指示。
前两次作战，日军基本上都是长驱而入，随后又全身而退。第9战区的部队虽然给了日军以一定打击，但相比之下，第9战区部队本身的伤亡更多，损失更为惨重。这让薛岳对日军的作战能力有了更为清醒的评估，同时，也加深了其对消灭对方有生力量重要性的认识。
另外，对于如何对日军进行逐次抵抗，如何切断其退路，怎样选定决战地区等问题，前两次作战处理得都不够妥当，这也是薛岳自第二次长沙会战结束后一直在考虑的重点问题。
薛岳认为，在敌我双方军事装备和综合作战能力相差悬殊的情况下，一味采取硬打硬拼，“与阵地共存亡”的战术，并不策略。那样，往往会造成被动挨打的局面，并为日军所包围歼灭，只会付出无谓的牺牲。而为了诱敌深入采取直线后退也不是好办法。因为，日军的机械化部队多，骑兵多，跑得快，第9战区部队在后退时，很容易被日军追上；同时，部队一旦直线后退，就很难再站稳脚跟，这样，反而会冲乱己方后线阵地，从而造成一种不可收拾的溃退局面。
在经过长期反复考虑后，薛岳在这次会上提出了号称“天炉战法”的一整套作战方案。对此，薛岳在回忆第三次长沙会战时曾这样说道：
自第二次长沙会战之后，最高统帅蒋公即亲莅南岳，召集各军、师长剀切训示今后作战方略；11月