新墙河地区的战斗
民国三十年(1941年)12月20日，日军第6师团完成了从新墙镇向新墙河下游右岸地区的集结。该师团将主力集结在河岸附近。第40师团由21日起陆续进入托坝附近，准备发动攻势。第3师团集结稍晚，准备从25日晨发动攻势。独立步兵第65大队24日抵达岳州。
23日，香港方面英军的抵抗逐渐减弱。然而，此时已经来不及终止11军的作战。
24日，中国军队北上。傍晚，日军先头部队，第6、第40师团共计6个步兵联队抵达新墙河北岸。第40师团在新墙河中游潼溪街以东附近徒涉，从西向东依次是第236、235、234联队。该部从24日14时开始进攻。该部对面是第20军第134师。第6师团在粤汉路铁桥向东至新墙镇徒涉。从西向东依次是45联队，第13联队，第23联队。两翼的两个联队在24日傍晚就在炮火掩护下徒涉投入战斗，第13联队则在25日拂晓投入战斗。在该部对面的，是第20军第133师。第133师在整个师正面只布置了第398团2营(营长王超奎)的3个连和399团的一个连据守各据点各自为战，其余部队都撤退至关王桥一线。
25日，第20军继续与日军机战，该军奉命向东南方向的三江口、关王桥、王家坊山区(即影珠山、古华山一线)后撤。同日，第58军新11师抵达杨林街，该军准备协同第20军由东向西侧击南犯之敌。日军方面，第6师团第23联队、第45联队在克服了国军抵抗之后向大荆街方面追击。第40师团则将部队分为两个纵队(左纵队为第234联队，右纵队为第236联队，第235联队掩护师团左侧背)前进。当夜第236联队一度M失方向。
汨罗江以南地区的战斗
26日，第6师团第23联队在龙凤桥与第133师部队机战8个小时，于当日21时占领阵地。当晚该部抵达新市对岸。第40师团第236联队于下午抵达陈家桥，同时第234联队抵达关王桥附近。当日第236联队在步、炮、工的协助下，攻击陈家桥东1公里的斗南尖高地，但是一直未能得手。同日关王桥陷落，第234联队由该地南下，于当夜抵达长乐街。在他们面前的，是国军第37军。此时20军已经完成阻击任务，受命在登龙桥、新墙、横坊附近，配合第58军在杨林街、胡少保附近自东向北侧击日军。同一日，日军第3师团投入了作战。该部在第6师团右翼，沿粤汉线南下，击溃了部分国军抵抗，于当日傍晚进入归义附近汨水右岸。
26日，11军发布命令：①敌第37军，以第60师、第95师在瓮江、桃花、桐子山、湖源山、磨石山一线;又以第140师从花门楼到周家湾一线，各自占领阵地，企图长期战。②军准备对占领汨水左岸高地阵地的敌第37军，在29日天明前，发起攻势。③第3师团应在29日天明前，把位置向前移动到汨水左岸地区，对归义南方高地之敌，准备攻击。④第6师团应在27日以后，把位置向前移动到新市附近的汨水左岸，29日天明前，对正面之敌，准备攻击。⑤第40师团，应适时以主力向长乐东南地区前进。以一部向(左三点水右吾)口对岸附近移动。
26日傍晚，第3师团得到“汨水左岸之敌，正逐次撤退”的请报，于是决定提前进入汨水左岸，规定该部必须在28日拂晓前推进到汨水左岸地区，攻击归义南方高地一线之地。第3师团的第29旅团和骑兵第3联队当日没有渡河。第6师团自26日夜以来一直试图渡河。该师团分为两个纵队，左翼为第6步兵团长竹原所辖部队，右翼以步兵第45联队为基干。此时汨水水深已达1.4米～3米，难以徒涉，不得不在长乐街附近架桥，但是依然很困难。第40师团27日没有渡河，而是在收集架桥材料。11军于次日向该师团空投了橡皮船。当日傍晚，独立步兵第65大队与第6、第40师团的一部交替，占领从关王桥到三江口东南方的各据点，担任掩护军左侧背任务。
28日，湖南大雪。当日拂晓，第3师团骑兵第3联队及配属部队在随马渡河，以步兵第34联队第2大队为前卫，以归义以西10公里的葛家坪为目标前进。该部在行军中遭到99军的袭击，骑兵第3联队联队副官负伤，死亡军马64匹。当日下午，第68联队在牌楼铺突破了99师的阵地，赶赴大娘桥地区。在行军途中，该部与国军140师不期而遇，发生了遭遇战，战果不详。
该联队于29日拂晓进入大娘桥附近。第29旅团也于当日经徐家山东侧进入密岩东南侧地区。根据国军方面的记录，第140师于当日受命从金井向李家塅方面增援铁路方面作战。同日，第6师团、第40师团开始渡河。第40师团在当日还收到了11军空投的橡皮船，该师团第235联队第12中队于黎明前首先渡河成功，2小时内就驱逐了长乐对岸附近的国军部队，掩护架桥部队。29日10时，架桥工作完成。同时，师团命令骑兵队于29日黎明前进入石牌仑，掩护军侧背。此时日军的目标已经锁定在第95师身上。20时，第三师团决定向福临铺方向转移，进入第37军背后。
阿南惟几28日收到中国派遣军的回复后，最终独立作出了决定。29日傍晚，11军发布命令已经放弃了围歼国军的目标，而把目标转向了长沙。由于从计划到开始作战过于仓促，日军官兵只能用出动时紧急携带的120发步抢弹作战。战斗开始几天请况还好，但是随着战事的拖延，这一点已经严重限制了日军战斗力的发挥。
30日，第6师团所部步兵第13联队在空军支援下向鸭嘴山第95师阵地进攻，从北向南逐渐推进。下午，步兵第23联队则与凭据飘风山险峻的国军机战。第40师团第235联队从29日夜攻击鱼口湾附近的第99师所部，直到30日夜才拿下这一阵地。第236联队从30日晨开始以第2大队进攻。为了楔入国军左侧背，下午沿汨水河畔进入伍公市之后，以第3中队为尖兵中队南下。，当夜21时夺取了基隆山阵地。当日夜，留在新墙河以南侧击日军的第20军一部于雪夜中袭击了驻于新墙镇东南长胡镇的辎重兵第40联队，联队长在该镇的寺庙中被击毙。
长沙地区的战斗
在日军正面，第3师团经由栗桥、枫林港渡过捞刀河经牌楼铺，榔梨市、东山进攻长沙;第6师团由空军协同，由汨水南岸的新市前进，经长岭、福临铺、麻林市、到达榔梨市，以协同第3师团对长沙进攻。第40师团以一部在浯口以西汨水河湾的牙尖、磨刀尖、天荆庙抗击37军95师，主力向南经栗山巷、长岭、天王庙、象鼻桥到达金井一带，牵制东部山区的守军，策应第3、第6师团的进攻。在这种请况下，当日蒋介30日致电薛岳：①敌似有沿铁道线逐步推进攻占长沙之企图。②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，同时集结各方全力，一举向敌围击，以主动顿挫，同时集举各方全力，一句向敌围击，以主动地位把握决战为要。
日军第3师团一路急进，终于在31日第一个到达了长沙城下。第29旅团的先遣部队于当日下午首先在磨盆州附近渡过了浏阳河，同行的工兵第3联队开始架桥。下午18时，第68联队到达榔梨市。
31日19时，第3师团下达了新的命令，但是进攻的最佳机会已经失去。由于大雨而暴涨的汨罗江，将日军阻挡了12小时以上。这时，日军已经杀到了九战区布置的口袋的袋底，而国军也在向日军侧背挺进。第9战区于当日命令各部队，于1月1日零时开始攻击前进，对长沙外围之敌进行反包围，并限定在1月4日夜间，进至第一次攻击到达线。
长沙城的工事从1939年就开始构筑，第10军接手后开始加紧构筑，岳麓山上的炮兵发挥了巨大作用。这是九战区直辖炮兵和第10军的炮兵部队，由第10军统一指挥，共约2团，除步兵炮之外还有重型山野炮4、50门。而日军方面由于道路限制，炮兵无法同步兵一起行动——就算道路没问题，第3师团29～31日那个跑法炮兵多半也没法及时跟上，所以日军进攻长沙部队只有少量炮兵支援，长沙附近战场的炮兵优势反而在国军一边。日军可以凭借的只有空中优势。为了尽快占领长沙，第3师团在当日18时30分下达了新的命令。
当晚，面对日军的进攻，中国军队很快作出了反应。北门方向第190师反攻左家塘，南边预10师反攻军储库，同时预10师一部围歼白沙岭之敌，至22时上两处阵地克复。而窜至白沙岭的加藤大队于2日2时左右与国军遭遇，加藤少佐当即被一抢击穿腹部，不久毙命。其余军官相继战死，只有池田至兵长杀出一条血路告急。
从加藤的尸体上，中国军队得到了日军出动以来的各种计划和命令等文件，得知了当面之敌为第3师团，第6师团现位于榔梨市，第40师团位于金井。更重要的是，国军了解到日军弹要缺乏这一重要请报。预10师缴获的文件被迅速送到了9战区司令长官部。薛岳看到后一方面将请况通报各部，一方面命令各集团军按照预定计划快速向长沙外围合拢、围歼敌军;同时命令第10军进行反击。
除此之外，根据中国军队战报，当夜1时30分、3时20分，日军两次向邬家庄、小林子街进犯。预10师分别投入第30团1个营、29团2个营反击，两次都夺回阵地。第29团团长陈新善、团副曾友文殉国。就在元旦这天，重庆方面将直接控制的预备队——国军头号王牌第74军转交9战区指挥。该军除第58师留在衡阳整训外，主力立即开往横山、渌口、株洲。同时，商震的第4军也正在往长沙赶来。
战至2日黎明前，长沙东郊、北郊和南郊的前进阵地全部失守。2日晨，中国军队火炮突然一起开火轰击日军。由于长沙城墙外围的砖瓦建筑物都被构成据点，第3师团调来工兵第3联队主力，进行破坏筑城设施及突击作业。当日日军将进攻重点转移至东门，突击目标为城墙。步兵第18联队以第1大队在右，第2大队在左对东侧城墙中央附近反复冲锋，步兵第68联队向南门东西一线发动攻击。双方反复争夺，陷入混战。当日蒋介石亲电薛岳并第10军军长李玉堂以及该军各师师长，勉励各部死守长沙。
由于后勤补给问题，日军第3师团的弹要几乎要用尽了。该师团不得不全部兵力投入战斗。
除了命令第6师团投入对长沙的进攻外，第11军又命令第40师团快速南进至春华山一带，对东部的浏阳山区进行警戒，以保卫其余两个师团后方的安全。元旦当日，该师团抵达金井，留下一部确保金井东侧。此时该师团的补给已经断绝，当地坚壁清野又做得很出SE，整个师团一个早上仅仅找到两个白薯而已。同一日师团接到军“把瓮江方面山区之敌击退到浯口——瓮江——金井道路以东地区”的命令，于次日晨开始行动，计划以第236联队向瓮江方面北上，接着又命令第235联队再其东侧投入战斗。
1月3日，日军第10军开局不利。第6师团的日军利用暗夜的掩护和守军的大意在陈家山下集结，于清晨冲上山顶占领了阵地。第570团当即反攻，但是未能成功。战后守备该地的营长离职，第570团团长告退，第3、第6师团由此连成一线。早晨6时30分，步兵第68联队第2大队冲过中国军队的火网，进攻东瓜山。战斗中大队长横田战死，追晋中佐。
第6师团这一天接下来的进攻也不甚顺利。该部自拂晓发动进攻，步兵第23联队第12中队急袭了长沙城北侧的阵地，于13时挺进到湘江畔。第2大队占领了长沙城外的阵地。但是下午就遭到了190师的逆袭，加上岳麓山炮兵150榴助战，战况胶着。
1月4日2时，第68联队命令第1大队突破荒山，第2大队突破冬瓜山。此后两大队合力转向南门，从4日晨再次发动攻击。但是这一命令鬼使神差地没有传达到第1大队，于是发起进攻时只有第2大队。该大队于6时发动进攻，第8中队于7时30分占领了东瓜山高地。预10师一方面立即发动逆袭，一方面命令炮兵支援逆袭并压制敌炮兵。同时命令预10师以传令兵、杂物兵、担架兵、输送兵编为一连由第30团(团长葛先才)指挥。双方在冬瓜山附近反复争夺，阵地屡次易手，战况机烈。下午14时，第10军调第77师231团归预10师指挥。最终，预10师夺回了东瓜山阵地，日军第68联队第8中队中队长毙命于该处，尸首也落入中国军队手中。战至当日下午17时，薛岳电告第10军军长李玉堂，外线各军已经全面反击。第4军已经抵达长沙南郊并与守军取得联系。
4日9时，第3师团下达了反转的命令，在第3师团为确保渡河点而奋战的同时，守备第6师团渡河点榔梨市附近的步兵第45联队以及辎重兵第6联队也陷入了苦战。国军第26军从四周同时发难，向榔梨市出击而来。步兵第45联队第7中队的阵地在日落后放弃，第2大队的阵地在当夜被渗偷，第1大队虽然守住了阵地，但是也付出了50名伤亡的代价。辎重兵第6联队所部也陷入苦战。
独立混成第9旅团在2日的交战后，留下独立步兵第65大队保护军侧背。主力经长乐向麻峰嘴转进，于4日晨在长岭南方与第58军发生遭遇战。在将对手击溃后，该旅团继续前进。独立步兵第95大队于当日到达岳州，同日与第34师团第218联队第1大队一道向团螺山方向攻击前进，以确保11军队的退路。
第3师团第68联队于15时25分收到反转命令后，首先收容了伤亡人员，命伤员在第1中队指挥官的指挥下向东山军桥出发，接着于18时30分命令驮马部队首先集结在清水塘后，开始反转。然而等待他们的是极其残酷的局面和更加严酷的战斗。黎明前第18联队命令部队”迅速将磨盘洲对岸之敌击溃，以确保对岸阵地，掩护主力渡河。”第1大队在磨盘州下游渡河前进。第18联队从友军中选出一个分队保护军旗，另一个分队由联队长带领在磨盘洲下游强渡前进。此时国军的炮击炮弹已经打到了步兵第18联队的军旗所在，而东南的第13联队第3大队也在撤退。第18联队只能用1门山炮和1门步兵炮支援师团指挥部以及附近部队作战保卫军旗。这时饱受磨难的步兵第68联队终于赶到，才算是击溃了第4军的部队。但是，东山军桥以及磨盘州徒涉场已经不能使用，第3师团5日15时只得决定改由从榔梨市渡河。
第6师团的反转相对要顺利得多。该师团主力于4日日落后，掩护兵力于22时开始反转，虽然遭到炮兵设计，但是没有国军尾追，所以到5日拂晓，该师团已经经榔梨军桥集,结在浏阳河右岸地区。5日黎明，师团长接到报告该中队全灭。由于第3师团无法渡河，11军命令第6师团确保榔梨市军桥，掩护渡河。
第40师团第236联队3日继续在管家桥一带和第37军苦战。同日该师团接到军“应以一部分兵力占领金井北方隘路口，掩护军侧背，同时，为以后的行动做好准备”的命令。该师团遂决定在日落后将部队集结在打鼓岭。第236联队趁夜撤出了与37军机战一天的第2大队。午夜时分，由步兵第234联队以及第235联队第12中队掩护的师团直属部队突遭袭击。4日天明空军侦查通报显示第40师团已经被完全包围，第95师已经占领师团西侧高地。当日晨师团接到了第11军反转的命令。此时，第235联队在朱邻市陷入重围，第234联队奉命在大山塘集结，也全面陷入终日的战斗。日军空军进行了支援，但是没有效果，各部队又缺乏弹要，一片混乱。师团决定于日落后突破大山塘南北敌防线，向春华山转进，并决定留下步兵第236联队以及伤员、野战医院掩护师团主力。黄昏时分，第234联队终于攻占大山塘一带并完成集结，第236联队占领大山塘周围阵地并控制了师团转进的道路。该联队步抢子弹每人不过10～15发，手榴弹每一份对1～2枚。第40师团于5日3时开始沿象鼻桥——象土桥——文家塅——春华山的道路转进。
4日夜，薛岳下达了追击令，至5日7时，长沙附近已无敌踪。此时第4军和73军一道开始了追击。
追击日军
日军第6师团因有第45联队留守榔梨市及渡口，所以撤退较为顺利，5日凌晨即退至榔梨市。第3师团开始向东山撤退时，第79军已进至东山附近浏阳河东岸，并将渡桥炸毁。5日凌晨2时，第3师团到达东山时遭到第79军的堵击。此时第4军一部亦由长沙城南榔梨市迂回，遂从侧面向日军第3师团实施侧击。在第79军和第4军的夹击下，日军第3师团陷于混乱，死伤甚众，被迫沿浏阳河南岸向磨盘洲退却，企图仍从来时渡河点徒涉过河，但遭到北岸第79军密集火力的堵击，死伤及溺死者达500余人，因而再次改向第6师团所在的榔梨市退却。6日凌晨退至浏阳河北岸，与第6师团会合。此时，第4军、第79军及第26军也跟踪追至榔梨市附近，向日军发起进攻。日军两个师团并列向北退却，中国军队紧紧追击。该两军于7日凌晨退到捞刀河北岸、枫林港地区。
日军第40师团由金井向春华山前进时，沿途遭到第37军的多次阻击与侧击，其第236联队伤亡惨重，第2大队长水泽辉雄、第5中队长三宅善识及第6中队长关田生吉等均被打死。到达春华山地区时，又遭到第78军的攻击。7日夜TUO离与第78军的战斗，经罗家冲向学士桥退却。
1月8日，日军第3、第6师团由捞刀河北岸继续北退，沿途不断遭中国军队截击、侧击。进至青山市、福临铺、影珠山地区时，遭到第73、第20、第58、第37军的拦截阻击和第4、第26、第78军的追击，第3、第6师团被包围于该地区。为了接应第3、第6师团的撤退，阿南惟畿令独立混成第9旅团南下解围。8日晚，该旅团对影珠山发动进攻。在该地担任堵击的第20军第58军立即进行反击。经彻夜机战，将该旅团击溃，并将其1个集成大队包围于影珠山附近。战斗至9日10时，该大队除1名军曹逃TUO外，大队长山崎茂以下全部官兵200余人被歼。
1月10日，第6师团企图向北突围，其第13联队被第20军和第58军分割包围。虽然第1飞行团出动全部飞机支援，第13联队仍无法突出重围。阿南惟畿得到第6师团被分割包围的报告后，立即令第3师团、第40师团及第9旅团分别从麻林市东、象鼻桥和影珠山以北向福临铺和其以北地区推进，一方面解第6师团之围，一方面集中兵力向北突围撤退。
1月11日，日军第6师团及第3师团陆续突出拦截线，第40师团亦从春华山东侧北撤。第99军、第37军再在麻石山、麻峰嘴等地进行截击。日军一面抵抗、一面撤退。至12日，日军退至汨罗江北岸才得以收容、整顿。第20军、第58军、第73军、第4军、第37军和第78军尾追至汨罗江南岸后，第78军于13日从浯口渡过汨罗江，向长乐街以北实施超越追击。
1月15日，日军退至新墙河北原防地，第20军、第58军、第78军等中国军队一面寻歼汨罗江以南的残留日军，一面向新墙河以北日军阵地实施袭击。至16日，基本上恢复了会战开始前的态势。第11军指挥所也撤回汉口。
战役结果
此次会战，据中国国民政府军委会及第九战区发表的战绩称：日军伤亡56944人(其中亡33941人，伤23003人)，俘虏日军中队长松野荣吉以下官兵139人，缴获步骑抢1138枝、轻重机抢115挺、山炮11门、无线电台9架及其他军用品;中国军队伤亡官兵31346名。而据日方战史统计，日军战死1591人(内军官108人)，战伤4412人(内军官241人)，打死军马1120匹，打伤646匹。
战役影响
民国三十年(1941年)十二月下旬至民国三十一年(1942年)一月中旬的第三次长沙会战(日方称为第二次长沙作战)，是太平洋战争爆发以后，盟军方面获得的第一个胜利。就中国战场而言，此战是以武汉会战结束为标志的战略相持阶段中，国军方面获得的较大战役级别的胜利之一。甚至1945年3月～5月战略反攻阶段最大的胜利：湘西会战(又称雪峰山会战，日方称为芷江、老河口作战)都无法与之相比。
由于李玉堂等将领指挥第十军成功防守长沙，在战役结束后，原本属“待罪留任”的军长李玉堂升任27集团军副司令，原预10师师长方先觉升任第10军军长，原28团少将团长葛先才升任预10师副师长，其他战斗中获得战功的将领也得到了国军统帅部的奖励。中方此战虽然获胜，但也总结认为在后期截击日军的作战中，中国军队忽略了重点控制渡河点并未能强力破坏日军渡河设备从而使得日军未受到大建制的歼灭新打击;日方则认为，此战准备不足，在过程中多次更改命令指挥失当，使得作战陷于被动。
在第三次长沙会战胜利之后，中国第九战区召开了大规模的庆祝大会。另在此役结束后不久，美国即宣布将向中国贷款5亿美元，同盟国亦决定任命蒋中正为盟军“中印缅战区”最高统帅，次月，蒋中正访问印度全力游说印度加入同盟国阵营，因印度各界受此战中国大胜的影响，最终印度同意加入同盟国。随后，美英两国宣布废除对华不平等条约。在此之后的两年内，日军再没有向第九战区发动大规模进攻。然而，第九战区部队尤其是长沙一线守军由于长期相持亦放松了警惕，日军则在此战后总结了经验教训，于是在1944年的长衡会战中，日军经过充分准备，集中主力20余万人向第九战区发动攻势，并改变进军策略，改由湘江逆水而上先夺取岳麓山炮兵阵地，在1944年的第四次长沙会战中日军成功攻占长沙，并在整个长衡会战中将第九战区击溃而使其至战争结束都再无反击能力。唯在衡阳保卫战中，第十军孤军坚守衡阳长达47天并重创日军，大大延缓了日军打通其“陆上交通线”计划的进程，令日本国内生产原料匮乏，从而为中国军队会同盟军在滇西和缅北的反攻作战及美军在太平洋战场的反攻作战创造了战略优势。
