薛嶽鑒於日軍進攻長沙的意圖已十分明顯，為加強湘北防禦，遂於19日將瀏陽河附近的第70軍和修水附近的73軍，撥歸第15集團軍指揮。第15集團軍將第70軍部署於嶽陽至長沙中間的汨羅江南岸，增強第二線防禦；以第73軍為總預備隊，控製於平江附近。
9月23日拂曉，日軍第6師團及奈良支隊在強大炮火掩護下強渡新牆河，分別突破守軍主陣地。上村支隊則提前於9月22日晚在嶽陽登艦，進入洞庭湖，利用夜暗，隱蔽向南航行80公裏，於9月23日6時與其正麵主力開始總攻的同時，在汨羅江口（汨羅江與湘江、橫嶺湖交界處）的營田附近實施登陸。
中**隊進行攔截，但因兵力火力都不足，上村支隊在艦炮、飛機支援下登陸成功，隨即溯汨羅江向東突擊，企圖切斷汨羅江以北中**隊退路，將第九戰區戰役布局割裂。
營田登陸是岡村寧次整個作戰計劃中的重要一著，日軍企圖從中國守軍左翼切斷新牆河、汨羅江兩道防線守軍的南退之路，同時向守軍側背給予致命一擊。
9月24日，第15集團軍各部繼續抵抗日軍。鑒於正麵主陣地被突破，由營田登陸日軍又威脅側後，薛嶽遂令第15集團軍以一部留於新牆河與汨羅江間占領中間陣地，遲滯日軍，主力即刻向汨羅江以南轉移，占領第二線陣地。
25日，日軍乘第52軍向汨羅江南岸轉移之際跟蹤追擊，其一部乘隙偷渡汨羅江，襲占新市。新市是東西和南北兩條公路的交會點，是新牆河南撤的重要通道，又是第37軍所轄第60師和95師的接合部，其地位十分重要，必須堅守。
26日淩晨3時，日軍在炮火、飛機支持下，向汨羅江南岸猛攻，守軍憑既設陣地堅守抵抗。激戰竟日，雙方均遭受重大傷亡，形成對峙。
這時軍委會指示第九戰區按原定方針，以六個師的兵力配置於長沙附近，乘敵突入長沙、立足未穩之際與敵決戰，側擊而殲滅之。
薛嶽即按此調整部署：第73軍占領金井、福臨鋪以東地區，對南進之敵形成側擊；第52軍以一部留置於新市、浯口現陣地，牽製敵軍，以主力占領長沙以東陣地，協同第73軍夾擊進至長沙附近之敵；第59師預伏於長沙東南地區，第11師配置於嶽麓山至喬口地區；第77軍一部留置於新市附近現陣地牽製敵軍，主力轉移至株洲附近；第4軍主力占領湘潭及其前方據點；第79軍確保幕阜山根據地；與敵正麵接觸的部隊應極力誘敵至伏擊區域，包圍敵人於戰場而殲滅之。
9月27日，以上各部隊調整部署完畢。
9月28日，日軍第6師團由汨羅江向南突進，上村支隊沿粵漢路南進，因不斷受到守軍阻擊和伏擊，進展緩慢。奈良支隊由甕江轉向平江，企圖策應第33師團夾擊中國第27集團軍及第79軍。
29日，日軍第6師團一部在金井方麵遭守軍伏擊，陷於激戰；其另一部由福臨鋪突過撈刀河後，受到守軍第60軍和第195師有力阻擊，前進不得。
30日，奈良支隊雖然進至平江以東與第33師團會合，但反受到中國第79軍和第20軍夾擊，中**隊一些部隊正直後撤，另一些部隊卻在兩翼集結，欲將日軍包圍而殲滅之。
這時，日軍第3師團長藤田進、第6師團長稻葉四郎、第13師團長田中靜一，三封電報擺在岡村寧次案頭，要求攻入長沙；然而狡猾的岡村寧次，卻已看出對手薛嶽在給他準備一張網，日軍有被圍殲之虞。
岡村寧次遂於30日下午4時，下令攻至上杉、永安的部隊停止前進，並準備退卻。10月1日，進至長沙附近的第6師團一部停止進攻，撤迴撈刀河以北。
同日，日軍運輸艦將剛裝載完畢的火炮又卸迴岸上，由汽車拖迴嶽陽方向。
根據這些跡象，薛嶽判斷日軍準備撤退，即給陳誠打電話報告敵情。
陳誠立即命令薛嶽：“趁機追擊而殲滅之！”
然後告訴薛嶽：“伯陵兄啊，有好消息告訴你，關於你為第九戰區司令長官的正式任命，文件已經發表，明天你就能見到。我第一個祝賀你！務望伯陵兄，再接再厲，在湘北打個大勝仗！讓國人為之一震，使日寇為之沮喪！”
薛嶽高興地說：“多謝辭修兄，你在委座麵前美言！我一定竭力而為，決不辜負您的厚望及委座的器重！”
薛嶽剛接完陳誠的電話，又收到關麟征斷定日軍將要撤退的電報。
他立即命令：“第15集團軍所屬第52軍和第73軍轉入追擊，其他部隊給撤退之敵以伏擊、側擊和截擊，以汨羅江西岸為第一追擊目標。”
同時命令：“湘北正麵各部隊，以現態勢立即向當麵之敵猛烈追擊，務於嶽陽、崇陽以南地區捕捉之。”
各部接令後積極行動，10月3日追至福臨鋪、金井，4日克複汨羅、新市。日軍退至汨羅江以北。5日，位於營田附近的日艦，受到中國第54軍新編第23師襲擊，也退往嶽陽。
8日，日軍全部退迴新牆河以北。第52軍第195師追過新牆河，恢複前進陣地，並先後乘夜襲擊西塘、桃林的日軍。10月16日，雙方恢複戰前態勢，湘北作戰結束。
10月16日，第九戰區部隊全部恢複到戰前所在位置。日軍也在原出發地域重新設防。至此，第一次長沙會戰結束了。
9月23日拂曉，日軍第6師團及奈良支隊在強大炮火掩護下強渡新牆河，分別突破守軍主陣地。上村支隊則提前於9月22日晚在嶽陽登艦，進入洞庭湖，利用夜暗，隱蔽向南航行80公裏，於9月23日6時與其正麵主力開始總攻的同時，在汨羅江口（汨羅江與湘江、橫嶺湖交界處）的營田附近實施登陸。
中**隊進行攔截，但因兵力火力都不足，上村支隊在艦炮、飛機支援下登陸成功，隨即溯汨羅江向東突擊，企圖切斷汨羅江以北中**隊退路，將第九戰區戰役布局割裂。
營田登陸是岡村寧次整個作戰計劃中的重要一著，日軍企圖從中國守軍左翼切斷新牆河、汨羅江兩道防線守軍的南退之路，同時向守軍側背給予致命一擊。
9月24日，第15集團軍各部繼續抵抗日軍。鑒於正麵主陣地被突破，由營田登陸日軍又威脅側後，薛嶽遂令第15集團軍以一部留於新牆河與汨羅江間占領中間陣地，遲滯日軍，主力即刻向汨羅江以南轉移，占領第二線陣地。
25日，日軍乘第52軍向汨羅江南岸轉移之際跟蹤追擊，其一部乘隙偷渡汨羅江，襲占新市。新市是東西和南北兩條公路的交會點，是新牆河南撤的重要通道，又是第37軍所轄第60師和95師的接合部，其地位十分重要，必須堅守。
26日淩晨3時，日軍在炮火、飛機支持下，向汨羅江南岸猛攻，守軍憑既設陣地堅守抵抗。激戰竟日，雙方均遭受重大傷亡，形成對峙。
這時軍委會指示第九戰區按原定方針，以六個師的兵力配置於長沙附近，乘敵突入長沙、立足未穩之際與敵決戰，側擊而殲滅之。
薛嶽即按此調整部署：第73軍占領金井、福臨鋪以東地區，對南進之敵形成側擊；第52軍以一部留置於新市、浯口現陣地，牽製敵軍，以主力占領長沙以東陣地，協同第73軍夾擊進至長沙附近之敵；第59師預伏於長沙東南地區，第11師配置於嶽麓山至喬口地區；第77軍一部留置於新市附近現陣地牽製敵軍，主力轉移至株洲附近；第4軍主力占領湘潭及其前方據點；第79軍確保幕阜山根據地；與敵正麵接觸的部隊應極力誘敵至伏擊區域，包圍敵人於戰場而殲滅之。
9月27日，以上各部隊調整部署完畢。
9月28日，日軍第6師團由汨羅江向南突進，上村支隊沿粵漢路南進，因不斷受到守軍阻擊和伏擊，進展緩慢。奈良支隊由甕江轉向平江，企圖策應第33師團夾擊中國第27集團軍及第79軍。
29日，日軍第6師團一部在金井方麵遭守軍伏擊，陷於激戰；其另一部由福臨鋪突過撈刀河後，受到守軍第60軍和第195師有力阻擊，前進不得。
30日，奈良支隊雖然進至平江以東與第33師團會合，但反受到中國第79軍和第20軍夾擊，中**隊一些部隊正直後撤，另一些部隊卻在兩翼集結，欲將日軍包圍而殲滅之。
這時，日軍第3師團長藤田進、第6師團長稻葉四郎、第13師團長田中靜一，三封電報擺在岡村寧次案頭，要求攻入長沙；然而狡猾的岡村寧次，卻已看出對手薛嶽在給他準備一張網，日軍有被圍殲之虞。
岡村寧次遂於30日下午4時，下令攻至上杉、永安的部隊停止前進，並準備退卻。10月1日，進至長沙附近的第6師團一部停止進攻，撤迴撈刀河以北。
同日，日軍運輸艦將剛裝載完畢的火炮又卸迴岸上，由汽車拖迴嶽陽方向。
根據這些跡象，薛嶽判斷日軍準備撤退，即給陳誠打電話報告敵情。
陳誠立即命令薛嶽：“趁機追擊而殲滅之！”
然後告訴薛嶽：“伯陵兄啊，有好消息告訴你，關於你為第九戰區司令長官的正式任命，文件已經發表，明天你就能見到。我第一個祝賀你！務望伯陵兄，再接再厲，在湘北打個大勝仗！讓國人為之一震，使日寇為之沮喪！”
薛嶽高興地說：“多謝辭修兄，你在委座麵前美言！我一定竭力而為，決不辜負您的厚望及委座的器重！”
薛嶽剛接完陳誠的電話，又收到關麟征斷定日軍將要撤退的電報。
他立即命令：“第15集團軍所屬第52軍和第73軍轉入追擊，其他部隊給撤退之敵以伏擊、側擊和截擊，以汨羅江西岸為第一追擊目標。”
同時命令：“湘北正麵各部隊，以現態勢立即向當麵之敵猛烈追擊，務於嶽陽、崇陽以南地區捕捉之。”
各部接令後積極行動，10月3日追至福臨鋪、金井，4日克複汨羅、新市。日軍退至汨羅江以北。5日，位於營田附近的日艦，受到中國第54軍新編第23師襲擊，也退往嶽陽。
8日，日軍全部退迴新牆河以北。第52軍第195師追過新牆河，恢複前進陣地，並先後乘夜襲擊西塘、桃林的日軍。10月16日，雙方恢複戰前態勢，湘北作戰結束。
10月16日，第九戰區部隊全部恢複到戰前所在位置。日軍也在原出發地域重新設防。至此，第一次長沙會戰結束了。