山炮、迫擊炮各1個大隊）。
第6師團（配屬山炮2個大隊、迫擊炮1個大隊）、第40師團（配屬山炮1個大隊）、第13師團第26旅團（早淵支隊，步兵4個大隊、山炮2個大隊）、第33師團第33步兵團（荒木支隊，步兵3個大隊、山炮1個大隊）、獨立混成第14旅團第63大隊（平野支隊，配屬1個山炮中隊）、獨立混成第14旅第62大隊（江藤支隊）、戰車第13聯隊（配屬輕戰車2個中隊）、野戰重炮兵第14聯隊、獨立野戰重炮兵第15聯隊第1大隊、軍工兵隊（獨立工兵3個聯隊、架橋材料8個中隊）、嶽南兵站地區隊（汽車18個中隊、辎重兵9個中隊）。
總兵力為：步兵45個大隊、炮兵26個大隊。
協同作戰的部隊：第1飛行團（偵架機3個中隊、直協機3個中隊）、第3飛行團（偵察機1個中隊、戰鬥機2個中隊、輕轟炸機3個中隊）、海軍第1遣華艦隊一部。
第一次長沙會戰之後，第九戰區根據會戰的經驗教訓，于1941年3月17日制定了《第九戰區反擊作戰計劃》，判斷日軍如再次向第九戰區進攻，其主力可能“向楊林街、長樂街、福臨鋪道及粵漢鐵路湘江兩岸，會攻長沙、衡陽”。
計劃“誘敵主力于汨羅江以南金井、福臨鋪、三姐橋以北地區，反擊而殲滅之”。
至9月上旬，第九戰區所屬部隊有11個軍，約30個師。
其兵力部署為：第99軍（傅仲芳，3個師）守備青山一帶及湘陰、營田、歸義間湘江、汨羅江之守備；第27集團軍（楊森，8個師）守備新牆河兩岸、鹿角、通城、金塘坳間地區；第30集團軍（王陵基，4個師）以一部兵力守備界牌、觀音閣、潭埠之線陣地，主力集結于三都附近；第19集團軍（羅卓英，6個師14個保安團）以大部兵力守備上東坑、靖安、奉新、高安、市汊街地區，其第74軍（王耀武，3個師）集結于新喻、宜分地區；第37軍（陳沛，3個師）、第26軍（蕭之楚，3個師）、第10軍（李玉堂，3個師）分别集結于福臨鋪、金井、衡山地區。
另外有7個挺進縱隊等在敵後鹹甯、瑞昌一帶進行遊擊。
第九戰區司令長官部位于長沙。
日軍第11軍進攻長沙的各部隊在向新牆河以北進攻出發地位集結時，為了保障集結地區左翼的安全，解除側方威脅，掩護兵力集中，阿南惟幾命第6師團在主力進攻之前，先于9月7日由忠坊，西塘向大雲山的中國軍隊攻擊。
當時大雲山區有第4軍1個團和1個加強營、第58軍1個加強營。
第27集團軍總司令楊森沒有得到日軍向湘北集中兵力的情報，判斷日軍可能是為“抽調兵力使用于其他方面，乘第6師團集結之機，掃蕩我大雲山遊擊根據地”，因而令第4軍（歐震）加強大雲山的守備，令第58軍準備協力第4軍的作戰。
日軍第6師團第13聯隊由西塘東進，突破第4軍第102師在鴨婆嶺的陣地後，轉向南下，攻占甘田、團山坡等要點。
其師團主力由忠防南下，擊遲第4軍第59師的阻擊部隊以後，分向西進、南下、攻占南沖、白水洞、白屋裡、長安橋等地，激戰2天，大雲山大部地區為日軍占領，但其第13聯隊，則遭到第102師和第59師的圍攻。
9月10日，日軍第40師團到達桃林，接替第6師團。
11日，第6師團主力經桃林向草鞋嶺轉進。
第40師團先遣支隊（第234聯隊）在甘田附近，遭第58軍新11師的側擊，至當夜，方與第13聯隊會合。
第13聯隊遂退去草鞋嶺與其主力會合。
13日，日軍第40師團主力向甘田推進，與第58軍第10師激戰于甘田、馬厮赮、團山坡一帶，日軍第33步兵團（荒本支隊）亦加入戰鬥。
直至14日，中國軍委會及第九戰區仍未判明日軍進攻長沙的企圖，依然認為“敵企圖僅在攻占大雲山”，放棄大雲山向楊林街以北之甘田、港口方面進攻是“掩護其撤退的動作”。
如薛嶽14日緻蔣介石電稱，日軍“掃蕩我大雲山後，南渡新牆河竄擾”，是“以進為退”；又如軍委會軍令部在第九戰區的聯絡參謀張元祜14日向軍委會報告說：目前日軍的“态勢、兵力部署，似無攻略長沙企圖”，因而，未能及時采取有力的應戰措施。
9月17日，日軍第11軍各進攻部隊均已進入進攻出發地位。
由于接受了第一次長沙會戰時兵力分散的教訓，阿南惟幾将進攻部隊“并列部署于狹窄的正面上，以期進行縱深突破”。
44個大隊及322門火炮展開于新牆河以北僅20公裡的正面上。
僅派獨立混成第14旅第63大隊（平野支隊）乘船溯湘江南下，進攻青山、營田，以掩護軍右側翼并策應正面主力之作戰。
各部隊進攻出發地位的具體位置為：第4師團、第26旅團位于新開塘以南，第3師團位于烏江橋以南，第6師團、獨立混成第14旅團第62大隊位于西塘以南，第40師團、第33步兵團位于白羊田附近，9月18日拂曉，日軍發起總攻。
防禦日軍主攻方向的第4軍，在大雲山戰鬥中己損失甚巨，加以倉促應戰，陣地迅速被突破。
在兵力、火力高度集中的日軍進攻下，守軍第4、第20軍、第58軍根本來不及重新組織防禦，分向南和東側撤退。
日軍右翼保障支隊第63大隊在海軍護送下