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17日，余复集全战区官兵代表于长沙，举行会议，谆谆嘱以战胜决于平时，故平时应视如战时，操场应视如战场。且本既往所得之经验教训，创“天炉战法”。天炉战者，为在预定之作战地，构成纵深网形据点式阵地，配置必要之守备部队，以伏击、诱击、侧击、截击、尾击、堵击诸手段，逐次消耗敌力，挫其锐气，然后于决战地使用优越之兵力，施行反击及反包围，予敌以歼灭打击。盖为后退决战方法，因敌之变化而变化之歼敌制胜新方略，如炉熔铁，如火炼丹，故名。
具体来说，薛岳“天炉战法”的指导思想就是：当日军发起进攻时，第9战区的部队在保存自己的情况下，节节抵抗，节节后退，尽量地拖累和疲耗敌人，达到这一目的后，便自动向斜侧后方山地撤退（不是直线撤退），绕到敌人的包围线外面去，从更大的层面上形成对日军的反包围，砌成两面“天炉之壁”。同时，在中间地带，彻底地破坏交通道路，空室清野，诱敌至决战区域，而断其后路，从四面八方构成一个天然“熔炉”，最后将包围之敌予以歼灭。
当年的中国战史出版局还曾专门出版了薛岳撰写的《天炉战》一书。书的前言有这样一段文字介绍：“他（指薛岳）的战略战术足以法天地之幽邃，穷宇宙之奥秘，为鬼神所惊泣，人事所难测，无以名之，故曰《天炉战》。”虽然未免说得过于玄虚，不过，从当时各方面的条件来看，薛岳这次的作战指导方案显然要比前两次更加合理。
根据“天炉战法”的要领，第9战区在进一步研究了以往的作战经验和阵地地形后，决定以新墙河为第一道防线，汨罗江为第二道防线，长沙城外的捞刀河与浏阳河之间为第三道防线。前两道防线主要是伏击区和诱击区，第三道防线才是决战地区。
形成了完整的作战方案后，薛岳令各部队做好相应的作战计划；同时，下令实行全民总动员，破坏道路，向水田蓄水，组织战时民工队等，全面加强战备。
傍晚，日军在雨雪交加中向新墙河南岸守军阵地发起了攻击。
当时，防守新墙河南岸阵地的只有第27集团军第20军1个军。因为，薛岳并不准备在新墙河一线与日军大打。第20军的主要任务是阻敌，尽可能地耗损敌人的力量，疲劳敌人，顿挫敌人进攻的势头，延缓日军南下的步伐。
第20军属川军，军长杨汉域，四川广安人，从云南讲武堂毕业后，一直在川军中任职，于1938年担任第20军军长。该军只有两个师的编制，而在新墙河北岸集结的日军有3个师团。以两个师的兵力要完成阻击装备优良的3个师团的日军10天的任务，其困难可想而知。
但第20军没有临阵退缩。为了完成阻敌任务，杨汉域要求守军各部在占领阵地时，做到据点工事与野战工事同时占领，以据点工事为骨干，加强野战工事的纵深配备。在使用兵力时，各部应以一部兵力置于连排据点，尽力抵抗；以一部占领野战工事，利用阵地纵深逐步抵抗，将主力放在最后一线阵地，机动使用。作战时，敌人若向据点工事里的守军攻击，野战工事里的守军应立即进行火力支援，或适时派部队反击；若敌人向野战工事里的守军攻击，据点里的守军应即以火力向敌人射击，或者离开据点向敌尾击。各部主力此时应乘敌混乱之际，不失时机地对敌反击，消耗敌人。经过逐步抵抗，到最后一线预备阵地给敌人以重大杀伤后，再向侧面阵地转移，向敌侧击、尾击。
实践证明，第20军的这种打法还是比较符合战场实际的，并有效地延缓了日军南下的步伐。
25日，已经渡过新墙河的日军3个师团，在稍事休整之后，又分东、中、西三路，向守军第二线阵地发起进攻。
薛岳创“天炉战法”（2）
这时，杨森一面令第20军向斜后移动，一面令第58军进入阵地，与第20军互相配合，协力迎击日军，双方在汨罗江北岸又一次展开了激烈的拉锯战。
当时，雪越下越大，气温也越来越低，而守军许多士兵连棉裤都没有，有的竟被冻死在战壕内。但活着的士兵，仍坚守阵地，没有贪生怕死之辈。
守卫傅家桥据点的第20军第398团第2营营长王超奎少校及其部属，面对日军猛烈的炮火，毫不畏惧，打退了日军一次次的冲锋。后王超奎为掩护部属突围，在与日军肉搏中不幸殉国。
守卫洪桥据点的第398团第3营一部，在副营长、连长相继阵亡的情况下，仍坚守阵地。
第397团全团官兵在黄沙街硬是顶住了日军第6师团整个师团的进攻，并迫使其绕道而行。
激战至27日晚，第20军完成了阻敌任务，薛岳令第27集团军全线撤退。随后，第20军向梅仙、平江方面转进，隐蔽休整，随时骚扰日军后方，待机袭击其侧翼；第58军向汨罗江东南部转移，靠近向家、金井，准备切断进攻长沙的日军的后路。
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第9战区全力迎战（1）
日军侵入上饶。
当日军此番大举南下，再次逐渐逼近长沙时，薛岳也做好了全面迎敌的准备。
为了就近指挥和督促各部作战，12月30日，薛岳将他的战时指挥所从长沙的二里牌，搬迁到濒临前线的岳麓山上。
在此之前，他把省政府机关及所属各厅局迁到了茶陵；把第9战区司令部，迁到了耒阳；把他的夫人和孩子也都送到了后方。他只身带着一些作战参谋人员及必要的保卫人员，留在长沙。
此时，汨罗江以南的第37军、第99军仍在顽强抗击着当面的日军第40、第6师团及第3师团。薛岳见南犯的日军已全部进入了“炉膛”，这才命令该两军按照原定计划，让开中间，撤向两厢，养精蓄锐，待机反攻。入夜后，第37军军长陈沛率部由浯口以南向东面的社港地区后撤；第99军则在军长傅仲芳的一声令下，从归义退向湘江沿岸的营田与湘阴一线。而留在敌后的杨森则令所部袭击了驻新墙东南长胡镇的日军辎重兵第40联队，使其伤亡惨重，联队长森川启宇中佐也被击毙。
是日，蒋介石根据连日来的战场情况已判断出日军有沿粤汉线逐步推进、攻占长沙之企图。他担心第9战区二线部队被迫投入战斗而影响日后的决战，遂给薛岳发了一封电报：
“一、敌似有沿铁道线逐步推进攻占长沙之企图。二、该战区在长沙附近决战时，为防敌以一部向长沙牵制，先以主力强迫我第二线兵团决战，然后围攻长沙，我应以第二线兵团距离于战场较远地区，保持外线有利态势，以确保机动之自由，使敌先攻长沙，乘其攻击顿挫，同时集举各方全力，一举向敌围击，以主动地位把握为要。”
蒋介石的意见与薛岳的想法不谋而合。为鼓舞士气，坚定歼敌决心，薛岳于当天下午13时又以“卅午忠电”训令各部：
第三次长沙会战，关系国家存亡，国际局势之巨。本会战职有必死决心，必胜信念。为捕拿战机，歼灭敌人，获得伟大战果计，经规定下列三事，分电各部遵办：（1）各集团军总司令、军长、师长务确实掌握部队，亲往前线指挥，俾能适时捕拿战机，歼灭敌人。（2）职如战死，即以罗副长官代行职务，按之计划围歼敌人，总司令、军、师、团、营、连长如战死，即以副主官或次级资深主官代行职务。（3）各总司令、军、师、团、营、连长倘有作战不力，遗（贻）误战机者，即按革命军连坐法议处，决不姑宽。
他将此意分电各部的同时，又致电报给蒋介石。蒋介石于1月4日复电：
“卅午忠电悉。兄能具此决心，督励所部，良堪欣慰。当此友邦并肩作战之际，甚盼此次会战能获得决定之胜利，以为我国革命军人争得无上之光荣也。”
30日晚上，薛岳正式下令，准备围歼向长沙进犯之日军：
（一）战区决定以各兵团向长沙外围之敌军，攻击聚歼之。
（二）杨森指挥第58军，由长乐街向安沙；第20军由清江口经福临铺向石子铺，索敌攻击。攻击到达线第一次为三多桥、安沙；第二次为傅家冲、周婆塘之线。
（三）王陵基指挥第37军（缺第140师）由瓮江向望仙桥；第78军由三角塘、更鼓台向长桥，索敌攻击。攻击到达线第一次为春华山、东林寺；第二次为大湾港、长桥之线。
（四）罗卓英指挥第26军主力，由洞阳市向朗梨市；一部由江花桥经永安市，协助军主力索敌攻击。第79军（附第194师）主力由金潭向黄花市以南，一部由渡头向柞山桥索敌攻击。攻击到达线第一次为东林寺、柞山桥、大圫铺之线；第二次为朗梨市、东山、金盆岭之线。
（五）第10军固守长沙及水陆洲，第73军固守岳麓山，俟各兵团到达第二线攻击到达线时即断行反攻。
（六）第99军（附第140师）以第197师固守湘江西岸洞庭湖南岸原防；第92师由三姐桥经桥头驿、第140师由栗桥经官桥，向捞刀河之敌攻击，攻击到达线第一次为桥头驿、官桥之线；第二次为捞刀河市附近。第99师固守双狮洞、湘阴、营田，并以一部由明月山、双狮洞向栗桥、福临铺侧击敌军，截断敌补给线。
12月31日，薛岳得到报告：日军主力已分别到达长沙外围附近，第40师团一部到达长沙以东的永安市附近，主力在上杉市以南地区；第6师团一部到达朗梨市附近，主力在麻林市以南地区；第3师一部到达石子铺附近，主力在唐田庙附近。第二线兵团的日军独立混成第9旅团、外园支队、泽支队、野口支队分别到达汨水以北地区，向南继续前进。
于是，薛岳下达了总攻命令：“各部从1942年元月1日子夜开始攻击，限元月4日晚到达第一次攻击到达线。”
一场大规模的围歼战即将展开。
在长沙决战打响之前，薛岳和李玉堂对长沙防守事宜进行了最后的部署。
薛岳根据岳麓山对长沙的瞰制作用，将战区直属独立炮兵旅配置到岳麓山，以支援长沙城守军的作战。他令李玉堂以1个营的兵力在湘江西岸和岳麓山占领阵地，掩护炮兵，主力守备在长沙市区和郊区，重点放在长沙市区的制高点天心阁附近。他还令第10军的两个炮兵团，先以一部放在第一线阵地后方，支援警戒部队和第一线守备部队作战，尔后根据情况再全部撤到岳麓山，加强岳麓山的炮兵火力，以形成对天心阁方面和长沙东南地区日军的毁灭性火力打击。
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第9战区全力迎战（2）
按照第9战区原先的部署，第10军以第190师防守长沙外围各据点，以第3师防守市内各要点，预备第10师在岳麓山一带驻防。12月30日，第10军调动部署，令第190师防守长沙北门浏阳河至兴汉门一线，第3师防守长沙东门天心阁至小吴门一线，预备第10师调到长沙城南，负责防守南门猴子石至天心阁一线。岳麓山一带则由赶来增援的第73军防守。军指挥所设在南门外湘江边上紧靠前线的灵官渡。
其3个师的具体部署是：
朱岳第190师的师指挥所设在市北经武门内，第568团驻守湘雅医院至南华女校的城东铁路沿线地区；第569团驻守湘雅医院至湘江岸边一线阵地；第570团驻守城北铁路以东杜家山、陈家山一线阵地，一部位于南华女校，以增强浏阳门以北的防守兵力。
周庆祥第3师的师指挥所设在城内中部的八角亭，第7团负责守卫浏阳门以南防线；第8团负责守卫浏阳门以北防线；第9团协助预备第10师驻守妙高峰、老龙街、严家岭一线，暂归预备第10师指挥。
方先觉预备第10师的师指挥所设在南门内的南正街，第29团配置在阿弥岭、雨花亭、金盆岭至猴子石第一线阵地；第28团配置在黄土岭、白沙岭、东瓜山及修械所一线；第30团配置在天心阁、妙高峰地区。
1月1日凌晨，在长沙保卫战正式打响之前，李玉堂又下令，除留下一两只机动小艇供联络用外，湘江内的一切军用和民用船只，全部都撤往水陆洲和湘江西岸。
李玉堂此次是破釜沉舟，真的要与长沙共存亡了。
1942年1月1日晨，日军第3师团渡过浏阳河，从东南方逼近了长沙守军的前沿阵地。
11时，丰岛房太郎师团长正式下达了进攻长沙的命令。其进攻部署是：由石井信率