日軍第4、第3、第6、第40師團、早淵支隊與荒木支隊，在汨羅江以南擊破中國第37、第26、第10軍等部防禦，乘勢向南突進，9月25日前後陸續進抵撈刀河北岸，迫近長沙。
這時，第九戰區在撈刀河南北和長沙附近的守衛部隊有：第99軍、第72軍、第26軍、第74軍、第79軍、第37軍、暫編第2軍。
9月25日，薛嶽電令第79軍守備撈刀河南北地區，保衛長沙外圍；暫編第2軍先頭部隊第8師，限於26日到達朗梨市待命；第74軍以兩個師兼程向黃花市前進，在夏家塘、春華山、赤石河、石灰咀之線占領陣地，迎擊南進日軍。
薛嶽這一電令，又被日軍特種情報部門竊收和破譯。
日軍第11軍司令官阿南惟畿認為：第74軍是蔣介石中央軍中最精銳部隊之一，自1939年9月第一次長沙會戰起，曾與第11軍多次較量，是第11軍的老對手，這次一定要捕捉而殲滅之。
他立即調整部署：令第3、第4師團向撈刀河以南突進；取消第6師團原定占領平江的任務，改向撈刀河穀推進，攔擊第74軍；令第40師團在掃蕩金井附近地區後南下。
9月24日，蔣介石致電第九戰區長官薛嶽：
“（1）湘北之敵，經各部隊奮勇截擊，其勢已疲，其兵戰線亦不易推進，此為我軍截擊敵人後方、覆滅敵寇之良機。希我全體將士，抱定必須滅敵之決心，縱敵進抵長沙附近，更須再接再厲，抱定必勝信念，猛烈向敵截擊，迫使敵人無法立足而擊潰之，以爭取最後勝利，發揚湘北再捷之光輝。
（2）此次敵人抽調第五、第六戰區當麵兵力向湘北進犯，敵後異常空虛，第三、第五、第六戰區已於23日發動攻勢。第九戰區方麵，應堅決猛烈打擊敵人，使其首尾不能相顧，粉碎敵占長沙企圖。”
薛嶽及軍委會原來沒能估計到日軍會攻入長沙，因而長沙近郊及市區防禦空虛。日軍突過撈刀河後即向長沙開進。薛嶽接到蔣介石電令，即令前來增援的第79軍、暫編第2軍先頭部隊第98師，以強行軍速度趕往長沙迎擊日軍，該兩軍主力都在往長沙開進途中。
9月25日晚，第九戰區司令長官部從長沙撤往湘潭。
同日，第74軍先頭部隊第57師，到達撈刀河北岸春華山附近時，發現春華山已被日軍占領，隨即占領南岸天鵝山，與日軍對峙。日軍向天鵝山進攻，激戰徹夜。26日晨，日軍被擊退。第57師乘勢反擊，奪迴了春華山，掩護第74軍主力集結，隨後將春華山移交第58師，北向痳林迎擊日軍。
27日晨，日軍第3師團主力在航空兵支援下，向第57師正麵連續猛攻，遭到第57師頑強抗擊；日軍又投入第4師團一部攻擊第57師左翼。第57師傷亡近三千人，仍堅守不退。
與此同時，第58師在春華山、夏家塘之線，第51師在伍家渡、楊家灘之線，第37軍第95師在王家衝、楊公橋之線，也與日軍第6、第3、第4師團激戰。
守軍各部隊堅守撈刀河兩岸陣地，阻擊側擊日軍，或主動向日軍進攻，給日軍以相當殺傷，自己也損失嚴重，第74軍全麵陷於苦戰。至27日夜，薛嶽命令該軍撤出戰鬥，東向洞陽市、橫江至瀏陽河南岸轉移，準備側擊日軍。日軍強渡撈刀河以後直趨長沙，其第3、第6師團則由長沙以東向株洲方麵突進。
9月27日晨5時，第98師在長沙以北三窯堂、白茅鋪一線與日軍早淵支隊遭遇，展開激戰。日軍以航空兵火力支援，連續突擊；當晚突破第98師第一線陣地，逼近長沙。28日，日軍早淵支隊又攻破第98師第293團陣地，突進長沙。剛到達嶽麓山的第79軍暫編第6師奉命進入長沙，與日軍展開巷戰。
至30日，日軍第4師團也到達長沙；第3師團一部曾突入株洲，與暫編第2軍先頭部隊交戰，暫編第2軍隨即撤出。日軍第6師團集結於鎮頭市附近；第40師團集結於獅形山附近；荒木支隊、江藤支隊擔任掩護後方交通線任務。
至此，阿南惟畿認為完全達到了預期作戰目的，即令第11軍停止了攻勢。
10月1日，日軍第11軍司令官阿南惟畿下達北返命令：
著第40師團先行，第4、第3、第6師團並行；其中第40、第6師團居右，經永安市、麻峰咀、長樂街之線北返；第4師團居左，沿長沙、湘陰之線北返；第3師團居中，沿左右之間的道路北返。當天日落時行動。
薛嶽偵知日軍退卻行動後，立即命令暫編第2軍、第79軍各向當麵日軍跟蹤追擊；命令位於撈刀河、汨羅江南北地區的74軍、第27集團軍所屬各軍和第99軍，各依現在位置截擊、側擊日軍，務使其不能安全渡過新牆河。
蔣介石也發電報要求：“第九戰區乘敵疲憊，果敢追擊，乘機占領嶽陽，並應積極破壞武嶽鐵路，分向各路退卻敵人沿途襲擊、伏擊，猛烈打擊，使其不能退守原防；並牽製防守，滯其向武漢方麵轉移，以利第三、第五、第六戰區作戰”。
各部隊按此命令，對北撤日軍追擊、截擊和側擊，給予一定殺傷，但未能打亂其行動。至10月9日，日軍全部退迴新牆河以北，恢複戰前態勢。至此第二次長沙會戰結束。
這時，第九戰區在撈刀河南北和長沙附近的守衛部隊有：第99軍、第72軍、第26軍、第74軍、第79軍、第37軍、暫編第2軍。
9月25日，薛嶽電令第79軍守備撈刀河南北地區，保衛長沙外圍；暫編第2軍先頭部隊第8師，限於26日到達朗梨市待命；第74軍以兩個師兼程向黃花市前進，在夏家塘、春華山、赤石河、石灰咀之線占領陣地，迎擊南進日軍。
薛嶽這一電令，又被日軍特種情報部門竊收和破譯。
日軍第11軍司令官阿南惟畿認為：第74軍是蔣介石中央軍中最精銳部隊之一，自1939年9月第一次長沙會戰起，曾與第11軍多次較量，是第11軍的老對手，這次一定要捕捉而殲滅之。
他立即調整部署：令第3、第4師團向撈刀河以南突進；取消第6師團原定占領平江的任務，改向撈刀河穀推進，攔擊第74軍；令第40師團在掃蕩金井附近地區後南下。
9月24日，蔣介石致電第九戰區長官薛嶽：
“（1）湘北之敵，經各部隊奮勇截擊，其勢已疲，其兵戰線亦不易推進，此為我軍截擊敵人後方、覆滅敵寇之良機。希我全體將士，抱定必須滅敵之決心，縱敵進抵長沙附近，更須再接再厲，抱定必勝信念，猛烈向敵截擊，迫使敵人無法立足而擊潰之，以爭取最後勝利，發揚湘北再捷之光輝。
（2）此次敵人抽調第五、第六戰區當麵兵力向湘北進犯，敵後異常空虛，第三、第五、第六戰區已於23日發動攻勢。第九戰區方麵，應堅決猛烈打擊敵人，使其首尾不能相顧，粉碎敵占長沙企圖。”
薛嶽及軍委會原來沒能估計到日軍會攻入長沙，因而長沙近郊及市區防禦空虛。日軍突過撈刀河後即向長沙開進。薛嶽接到蔣介石電令，即令前來增援的第79軍、暫編第2軍先頭部隊第98師，以強行軍速度趕往長沙迎擊日軍，該兩軍主力都在往長沙開進途中。
9月25日晚，第九戰區司令長官部從長沙撤往湘潭。
同日，第74軍先頭部隊第57師，到達撈刀河北岸春華山附近時，發現春華山已被日軍占領，隨即占領南岸天鵝山，與日軍對峙。日軍向天鵝山進攻，激戰徹夜。26日晨，日軍被擊退。第57師乘勢反擊，奪迴了春華山，掩護第74軍主力集結，隨後將春華山移交第58師，北向痳林迎擊日軍。
27日晨，日軍第3師團主力在航空兵支援下，向第57師正麵連續猛攻，遭到第57師頑強抗擊；日軍又投入第4師團一部攻擊第57師左翼。第57師傷亡近三千人，仍堅守不退。
與此同時，第58師在春華山、夏家塘之線，第51師在伍家渡、楊家灘之線，第37軍第95師在王家衝、楊公橋之線，也與日軍第6、第3、第4師團激戰。
守軍各部隊堅守撈刀河兩岸陣地，阻擊側擊日軍，或主動向日軍進攻，給日軍以相當殺傷，自己也損失嚴重，第74軍全麵陷於苦戰。至27日夜，薛嶽命令該軍撤出戰鬥，東向洞陽市、橫江至瀏陽河南岸轉移，準備側擊日軍。日軍強渡撈刀河以後直趨長沙，其第3、第6師團則由長沙以東向株洲方麵突進。
9月27日晨5時，第98師在長沙以北三窯堂、白茅鋪一線與日軍早淵支隊遭遇，展開激戰。日軍以航空兵火力支援，連續突擊；當晚突破第98師第一線陣地，逼近長沙。28日，日軍早淵支隊又攻破第98師第293團陣地，突進長沙。剛到達嶽麓山的第79軍暫編第6師奉命進入長沙，與日軍展開巷戰。
至30日，日軍第4師團也到達長沙；第3師團一部曾突入株洲，與暫編第2軍先頭部隊交戰，暫編第2軍隨即撤出。日軍第6師團集結於鎮頭市附近；第40師團集結於獅形山附近；荒木支隊、江藤支隊擔任掩護後方交通線任務。
至此，阿南惟畿認為完全達到了預期作戰目的，即令第11軍停止了攻勢。
10月1日，日軍第11軍司令官阿南惟畿下達北返命令：
著第40師團先行，第4、第3、第6師團並行；其中第40、第6師團居右，經永安市、麻峰咀、長樂街之線北返；第4師團居左，沿長沙、湘陰之線北返；第3師團居中，沿左右之間的道路北返。當天日落時行動。
薛嶽偵知日軍退卻行動後，立即命令暫編第2軍、第79軍各向當麵日軍跟蹤追擊；命令位於撈刀河、汨羅江南北地區的74軍、第27集團軍所屬各軍和第99軍，各依現在位置截擊、側擊日軍，務使其不能安全渡過新牆河。
蔣介石也發電報要求：“第九戰區乘敵疲憊，果敢追擊，乘機占領嶽陽，並應積極破壞武嶽鐵路，分向各路退卻敵人沿途襲擊、伏擊，猛烈打擊，使其不能退守原防；並牽製防守，滯其向武漢方麵轉移，以利第三、第五、第六戰區作戰”。
各部隊按此命令，對北撤日軍追擊、截擊和側擊，給予一定殺傷，但未能打亂其行動。至10月9日，日軍全部退迴新牆河以北，恢複戰前態勢。至此第二次長沙會戰結束。