第15師進駐平江，第78軍第一步确保平江，三角塘，第二步俟敵進攻長沙時，協同第37軍自東北向西南側擊敵軍。
第73軍駐甯鄉、益陽，為戰區預備隊。
參加這次會戰的主要部隊（包括後期參加的第74軍等），共35個師，約20萬人。
1941年12月24日下午，日軍第6、第40師團開始進攻，從粵漢鐵路至蓮溪街分8路強渡新牆河。
25日，日軍第3師團亦渡過新牆河，分3路向南攻擊前進。
守軍第20軍以一部堅守陣地各據點，阻擊敵人，主力向東南側山區轉移。
守衛傅家沖、洪橋2據點的第398團2營王超奎部及3營呂海辟部，依托工事，頑強抗擊，數次擊退日軍的沖擊，最後全部犧牲。
26日激戰終日。
當晚，日軍右路第3師團進至歸義汨羅江北岸，中路第6師團進至新市汨羅江北岸，左路第40師團進至長樂街。
當日，阿南惟幾得到情報，說長沙守軍兵力薄弱，日軍已于25日攻占香港，認為進攻開始以來進展順利，遂準備渡過汨水後繼續南進，攻略長沙。
軍部參謀認為本次作戰目的在于策應香港方面，現香港已占，應按原計劃執行，進攻長沙須慎重。
阿南沒有采納參謀的意見，向中國派遣軍發去進攻長沙的請求電報。
27日、28日，日軍先後渡過汨羅江。
中國守軍節節抵抗，爾後向東部及南部山區轉移，相機側擊、反擊日軍。
29日，日軍第11軍仍未收到中國派遣軍關于進攻長沙的批複，阿南惟幾獨自決定改變計劃，進攻長沙。
當晚下達向長沙追擊的命令：令第3師團以快速行動取捷徑向長沙追擊；令第6師團擊破鴨婆山、麻石山附近守軍後，主力向榔梨市，一部向長沙追擊；令第40師團一部留于涪口附近，主力經麻峰嘴附近向金井追擊；令獨立混成第9旅團速向關王橋前進，指揮獨立第65大隊擔任軍後方汨水以北和左翼山區之警備。
30日，守軍第37、第99軍與日軍第40、第3師團激戰後，分别轉移至東部、西部山區。
留置新牆河以南的第20軍一部，夜襲日軍辎重兵第40聯隊，将其重創并将其聯隊長森川啟宇擊斃。
此時，第九戰區之第二線兵團已從鄂、桂，粵3省開至長沙地區。
蔣介石為防止第二線兵團過早投入戰鬥，當日電令薛嶽：“在長沙附近決戰時，為防敵以一部向長沙牽制，先以主力迫我第二線兵團決戰，然後圍攻長沙，我應以第二線兵團距離于戰場較遠地區，保持外線有利态勢，以确保機動之自由。
使敵先攻長沙，乘其攻擊頓挫，同時集舉各方全力，一齊向敵圍攻，以主動地位把握決戰。
”薛嶽當即下達命令，命已到達長沙四面和第二線兵團，準備向進至“長沙外圍之日軍，行求心攻擊聚殲之”。
31日，日軍進至撈刀河之線，一部且渡過浏陽河，對長沙采取包圍行動。
1942年元旦，日軍第3師團首先向長沙東郊、北郊第190師陣地進攻。
戰鬥異常激烈，許多陣地反複争奪，失而複得者數次。
日軍第3師團直屬第2大隊，在猛攻南門時，大隊長加藤素一所率先頭突擊中隊，除逃回1名士兵外，全部被殲。
防守南門外修械所高地的預備10師葛先才團，戰至僅剩58人，終于保住了陣地。
日軍雖處于進攻地位，但由于彈少糧缺，傷亡又大，已是強努之末。
1月3日，阿南惟幾感到形勢危急，再不撤退有被圍殲的危險，于當晚被迫下令，4日夜開始撤退。
1月4日，日軍在撤退前，為隐蔽企圖，又對長沙進行一次猛攻，均被守軍第10軍擊退。
此時，第九戰區的第二線兵團均已到達反攻出發線附近，第79軍己接近長沙東郊的榔梨市，第4軍已收複長沙南郊的黃土嶺、金盆嶺等地。
4日夜，日軍開始退卻。
薛嶽迅即将原來預定在長沙外圍殲滅日軍的計劃，改為由現地實施追擊，命羅卓英指揮第4、第26、第73軍由南向北追擊；命楊森指揮第20、第58軍在福臨鋪一帶，由北向南堵擊；命王陵基指揮第37、第78軍在楓林港以北、長樂街以南地區，從東向西堵擊；命傅仲芳率其第99軍在石子鋪以北、新市以南地區，從西向東堵擊；命李棠率其第140師向黃沙街、新牆鎮攻擊、截擊。
日軍在第九戰區各部隊的阻擊、追擊、側擊、襲擊下，撤遲行動極為困難、遲緩。
日軍第3師團退至浏陽河時，進攻時架設的浮橋已為第79軍炸毀，其第18聯隊企圖仍從磨盤洲附近徒涉，遭到第79軍的火力集襲，聯隊長石井信以下傷亡及溺死500餘人。
第3師團被迫繞至第6師團在榔梨市附近架設的浮橋遲到北岸。
汨羅江距長沙不過70公裡，至12日，日軍方撤至該地。
1月15日，日軍全部撤退至新牆河北岸原陣地。
會戰以日軍的慘敗而告結束。
此次會戰，日軍戰死第18聯隊長石井信、第13聯隊長友成敏等軍官108名，受傷軍官241名，總計傷亡6003人；第九戰區傷亡、失蹤31萬餘人。
第三次長沙會戰是太平洋戰争爆發後，日軍在中國戰場發動的第一次規模較大的戰役。
中國軍隊在長沙的勝利，對國内外都産生了積極的影響。
進一步堅定了全國軍民抗戰必勝的信心，對提高反法西斯戰争的盟軍的土氣，支援英、美軍在南方的作戰，也起到一定的作用。