1月2日晚，蔣介石致電第10軍：“此次長沙會戰之成敗，全視我第10軍之能否長期固守長沙，以待友軍圍殲敵人。敵人懸軍深入，後方斷絕，同時我主力正向敵人四麵圍擊，我第10軍如能抱定與長沙共存亡之決心，必能摧破強敵，獲得無上光榮。”以鼓勵士氣。
阿南惟畿見第3師團攻擊頓挫，而第九戰區外線兵團正向長沙地區逼近，形勢嚴峻，但仍企圖在守軍外線兵團到達前攻下長沙，遂於2日夜，令在朗梨市的第6師團從第3師團右翼投入戰鬥，令在金井地區的第40師團迅速進至春華山一帶，對東部山區警戒，保障進攻兩師團後方安全。第6師團留第45聯隊守備朗梨市及附近渡口，其餘連夜進至長沙東北郊。
這時進入湘北的日軍三個師團已全部投入攻城。守軍第10軍處於數倍於己之敵圍攻中，形勢緊張。方先覺下到團部督戰，指示每次打退日軍進攻後即重編班排，任命指揮員，補充彈藥。兩晝一夜激戰，預第10師營、連、排三級指揮員傷亡大半。城中四個醫院傷兵人滿為患，許多重傷員因得不到及時救治而死亡。
日軍第6師團展開攻勢後，第190師陣地成為長沙守城作戰的焦點。2日，第6師團攻城北門，受到陳家山陣地守軍炮火襲擊，攻擊受挫。當日深夜，日軍潛行到山下集結，淩晨，衝到山頂占領了陳家山。
第190師第570團三次反擊未能收複。陳家山失守，北郊與東郊日軍連成一片，形勢危急。第10軍軍長李玉堂及各師長均在第一線督戰，官兵士氣大振，堅決與陣地共存亡。
1月3日拂曉，日軍第6師團及第3師團同時發動攻擊，第6師團進攻北門至西門間陣地，第3師團進攻東門至南門間陣地。激戰終日，日軍除第6師團第23聯隊的第12中隊，曾一度由城北向西突至湘江岸邊外，其餘部隊全被擊退。
第3師團第68聯隊第2大隊在向東瓜山陣地衝擊時，遭到守軍預10師密集火力和以手榴彈與肉搏戰進行反擊，7時許敵大隊被被擊退，大隊長橫田莊三郎以下死傷百餘人。
1月3日晨，中國第4、第79、第26、第37、第20、第58軍，已經全部進入第一次攻擊到達線，圍殲態勢已初步形成。這時日軍仍未能完全攻占長沙城。
當日11時，阿南惟畿在司令部黑板上寫道：“今更莫把驚懼生，兵家勝敗是常情。”以此安慰沉入憂愁中的幕僚們。
17時，參謀長木下勇及參謀副長二見秋三、作戰參謀島村等一起向阿南提出“停止戰鬥，於4日夜開始反轉”的意見。
阿南司令官說：“第6師團剛參加戰鬥，尚未能收到戰果乃理所當然。不能過早地停止攻擊，應暫時觀察一下情況。”
半小時後，接到第3師團長豐島“不久可取得戰果”的報告。但是參謀長木下勇等人反轉決心很堅定。19時，再次向阿南提出“在5日晨以前，必須進到汨羅江北岸，所以必須迅速開始反轉”的意見。
此時，日軍已經開始爭奪瀏陽河渡河點的戰鬥。圍攻長沙城的日軍第11軍糧彈將盡，死傷慘重，攻勢屢遭頓挫，且處於被中**隊包圍狀態下，處境危急。阿南惟畿迫不得已，終於決定於3日夜間撤退，並下達了撤退令。
3日晚，薛嶽為加強長沙防守和反擊力量，令第73軍暫第5師接替第77師榮灣市一帶防務，令第77師渡過湘江至長沙城內，歸李玉堂指揮，為第10軍預備隊控製於南門口附近。
1月4日淩晨，第3師團在豐島親自督率下，向城南修械所守軍陣地發起最後一擊。戰至天亮，日軍敢死隊隊員身綁著烈性炸藥衝上修械所陣地，一陣巨響將陣地突破，後續日軍猛衝過來，陣地被日軍占領。
上午8時，預備第10師陳希堯第30團組織了敢死隊，在20餘挺機槍掩護下，攜帶集束手榴彈衝入陣地，接著是一陣驚天動地的巨響。9時30分，30團敢死隊將修械所陣地奪了迴來。中午1時，日軍六百餘人再次衝上修械所陣地。守軍團長陳希堯率領僅剩二十餘人拚死抵抗。……
萬危之際，陳希堯突然聽到中**隊衝鋒號聲，原來是第28團團長葛先才親率兩個連趕來增援。日軍被擊潰退迴，陣地轉危為安。
日軍所有進攻，均被中**隊擊退。第3師團及第6師團，於當日晚乘夜暗脫離戰場，由長沙市郊分別向東山、朗梨市撤退。至此長沙地區戰鬥結束，會戰轉入追擊戰鬥階段。
阿南惟畿見第3師團攻擊頓挫，而第九戰區外線兵團正向長沙地區逼近，形勢嚴峻，但仍企圖在守軍外線兵團到達前攻下長沙，遂於2日夜，令在朗梨市的第6師團從第3師團右翼投入戰鬥，令在金井地區的第40師團迅速進至春華山一帶，對東部山區警戒，保障進攻兩師團後方安全。第6師團留第45聯隊守備朗梨市及附近渡口，其餘連夜進至長沙東北郊。
這時進入湘北的日軍三個師團已全部投入攻城。守軍第10軍處於數倍於己之敵圍攻中，形勢緊張。方先覺下到團部督戰，指示每次打退日軍進攻後即重編班排，任命指揮員，補充彈藥。兩晝一夜激戰，預第10師營、連、排三級指揮員傷亡大半。城中四個醫院傷兵人滿為患，許多重傷員因得不到及時救治而死亡。
日軍第6師團展開攻勢後，第190師陣地成為長沙守城作戰的焦點。2日，第6師團攻城北門，受到陳家山陣地守軍炮火襲擊，攻擊受挫。當日深夜，日軍潛行到山下集結，淩晨，衝到山頂占領了陳家山。
第190師第570團三次反擊未能收複。陳家山失守，北郊與東郊日軍連成一片，形勢危急。第10軍軍長李玉堂及各師長均在第一線督戰，官兵士氣大振，堅決與陣地共存亡。
1月3日拂曉，日軍第6師團及第3師團同時發動攻擊，第6師團進攻北門至西門間陣地，第3師團進攻東門至南門間陣地。激戰終日，日軍除第6師團第23聯隊的第12中隊，曾一度由城北向西突至湘江岸邊外，其餘部隊全被擊退。
第3師團第68聯隊第2大隊在向東瓜山陣地衝擊時，遭到守軍預10師密集火力和以手榴彈與肉搏戰進行反擊，7時許敵大隊被被擊退，大隊長橫田莊三郎以下死傷百餘人。
1月3日晨，中國第4、第79、第26、第37、第20、第58軍，已經全部進入第一次攻擊到達線，圍殲態勢已初步形成。這時日軍仍未能完全攻占長沙城。
當日11時，阿南惟畿在司令部黑板上寫道：“今更莫把驚懼生，兵家勝敗是常情。”以此安慰沉入憂愁中的幕僚們。
17時，參謀長木下勇及參謀副長二見秋三、作戰參謀島村等一起向阿南提出“停止戰鬥，於4日夜開始反轉”的意見。
阿南司令官說：“第6師團剛參加戰鬥，尚未能收到戰果乃理所當然。不能過早地停止攻擊，應暫時觀察一下情況。”
半小時後，接到第3師團長豐島“不久可取得戰果”的報告。但是參謀長木下勇等人反轉決心很堅定。19時，再次向阿南提出“在5日晨以前，必須進到汨羅江北岸，所以必須迅速開始反轉”的意見。
此時，日軍已經開始爭奪瀏陽河渡河點的戰鬥。圍攻長沙城的日軍第11軍糧彈將盡，死傷慘重，攻勢屢遭頓挫，且處於被中**隊包圍狀態下，處境危急。阿南惟畿迫不得已，終於決定於3日夜間撤退，並下達了撤退令。
3日晚，薛嶽為加強長沙防守和反擊力量，令第73軍暫第5師接替第77師榮灣市一帶防務，令第77師渡過湘江至長沙城內，歸李玉堂指揮，為第10軍預備隊控製於南門口附近。
1月4日淩晨，第3師團在豐島親自督率下，向城南修械所守軍陣地發起最後一擊。戰至天亮，日軍敢死隊隊員身綁著烈性炸藥衝上修械所陣地，一陣巨響將陣地突破，後續日軍猛衝過來，陣地被日軍占領。
上午8時，預備第10師陳希堯第30團組織了敢死隊，在20餘挺機槍掩護下，攜帶集束手榴彈衝入陣地，接著是一陣驚天動地的巨響。9時30分，30團敢死隊將修械所陣地奪了迴來。中午1時，日軍六百餘人再次衝上修械所陣地。守軍團長陳希堯率領僅剩二十餘人拚死抵抗。……
萬危之際，陳希堯突然聽到中**隊衝鋒號聲，原來是第28團團長葛先才親率兩個連趕來增援。日軍被擊潰退迴，陣地轉危為安。
日軍所有進攻，均被中**隊擊退。第3師團及第6師團，於當日晚乘夜暗脫離戰場，由長沙市郊分別向東山、朗梨市撤退。至此長沙地區戰鬥結束，會戰轉入追擊戰鬥階段。