長沙外圍日軍撤退前一天（1月3日），軍委會曾向第九戰區下達訓令：
（1）該戰區應速嚴令各部向長沙附近敵人圍擊，務確實截斷敵人退路，包圍捕捉敵人於戰場內而殲滅之。
（2）應速以一部先期擊破汨羅江敵人，占領各渡口；並即令孔荷寵部（暫54師）配合遊擊隊，迅速向武昌挺進襲擊。
（3）如敵突圍北竄，應以第73軍由長沙下遊渡江，另以一部由金井附近分向汨羅江北岸超越追擊，封鎖汨羅江各渡口，阻止敵人退卻；主力向敵跟蹤猛烈追擊，同時以有力一部向嶽陽挺進，乘虛襲取之。
（4）向敵追擊時，第10軍仍應守備長沙。
1月4日，薛嶽致電蔣介石：合圍反攻作戰即日開始，戰區正督勵各部“務勇猛前進，徹底殲敵，如敵由某部隊作戰地域內逃竄，即嚴懲該部各級主管及幕僚！”
蔣介石複電：號召各部殺敵建功，“如敵由某部正麵逃竄，即槍決其軍師長！”
4日晚，第九戰區獲知日軍撤退後，立即命令原準備在長沙附近合圍日軍的各部隊改變任務，轉為由不同方向堵擊或追擊撤退的日軍，以期“在汨羅江以南、撈刀河以北地區”“徹底殲滅敗逃之敵”。其部署為：
（1）羅（卓英）副長官為追擊軍總司令，指揮第26、第4、第73軍於5日拂曉前開始，以第26軍由牌樓鋪、東屯渡經楓林港、麻林橋、梁家橋（福臨鋪東北八裏）、麻峰嘴、栗山巷、長樂街道，向長樂街、伍公市追殲敗逃之敵。第4軍由阿彌街、左家塘，經東屯渡、石灰嘴、青山市、福臨鋪、李家坡、雙江口道，向新市、蘭市河追殲敗逃之敵。第73軍由長沙經石子鋪、馬鞍鋪、新橋、栗橋、馬山神、武昌廟、駱公橋道，向駱公橋、歸義追殲逃敵。
（2）楊（森）副長官為堵擊軍總司令，指揮第20軍、第58軍在象鼻橋（含）、福臨鋪、栗橋（含）自北向南堵擊北潰之敵，不得任敵由長樂街、駱公橋間竄過汨羅江北竄。
（3）王（陵基）副長官為東方截擊軍總司令，指揮第37軍、第78軍在楓林港以北、長樂以南地區，自東向西截擊北潰之敵。
（4）第99軍軍長傅仲芳為西方截擊軍總司令，指揮第99軍及第140師（師長李棠），在石子鋪以北、新市以南地區，自西向東截擊北潰之敵。第197師固守原防。第99師之一部固守湘陰、營田。
日軍第6師團因有第45聯隊留守朗梨市及渡口，撤退較為順利，5日淩晨即退至朗梨市。第3師團開始向東山撤退時，第79軍已進至東山附近瀏陽河東岸，並將渡橋炸毀。5日淩晨2時，第3師團到達東山時遭到第79軍堵擊。此時第4軍一部也由長沙城南向朗梨市迂迴，遂從側麵向日軍第3師團實施側擊。
在第79軍和第4軍夾擊下，日軍第3師團陷於混亂，死傷甚眾，被迫沿瀏陽河南岸向磨盤洲退卻，企圖仍從來時渡河點徒涉過河，但遭到北岸第79軍密集火力堵擊，死傷及溺死者達五百餘人，因而再次改向第6師團所在的朗梨市退卻。6日淩晨退至瀏陽河北岸，與第6師團會合。
這時中國第4軍、第79軍及第26軍也跟蹤追至朗梨市附近，向日軍發起攻擊。第3、第6師團並列北退，中**隊緊追。7日淩晨，兩師團退至撈刀河北岸、楓林港地區。
日軍第40師團由金井向春華山前進時，沿途遭到第37軍多次阻擊與側擊，其第236聯隊傷亡慘重，第2大隊長水澤輝雄、第5中隊長三宅善識及第6中隊長關田生吉等均被打死。到達春華山地區，又遭第78軍攻擊。7日夜脫離戰鬥，向學士橋退卻，傷亡慘重。
1月8日，日軍第3、第6師團由撈刀河北岸繼續北退，沿途遭到中**隊截擊、側擊。進至青山市、福臨鋪、影珠山地區時，遭到第73、第20、第58、第37軍攔截阻擊和第4、第26、第78軍追擊，第3、第6師團被包圍於該地區。
為接應第3、第6師團撤退，阿南惟畿令獨立混成第9旅團南下解圍。8日晚，該旅團向影珠山發動進攻。在該地區擔任堵擊的第20軍、第58軍立即進行反擊。經徹夜激戰，將該旅團擊潰，並將其一個大隊包圍於影珠山附近。戰至9日10時，該大隊除一名軍曹逃脫外，大隊長山崎茂以下全部官兵被殲。
1月10日，第6師團企圖向北突圍，其第13聯隊被第20軍和第58軍分割包圍於馮家塅附近，遭到猛烈圍攻。第1飛行團出動飛機支援，第13聯隊仍未突出重圍。聯隊長友成敏惟恐被殲後文件落入中**隊之手，下令將文件全焚。
阿南惟畿得到第6師團被分割包圍的報告後，立即令第3師團、第40師團及第9旅團分別從麻林市東、象鼻橋和影珠山以北向福臨鋪及其以北地區推進，一方麵解第6師團之圍，一方麵集中兵力向北突圍撤退。
1月11日，日軍第6師團及第3師團陸續突出攔截線，第40師團也從春華山東側北撤。第99軍、第37軍再次在麻石山、麻峰嘴等地進行截擊。日軍一麵抵抗，一麵撤退。至12日，日軍退至汨羅江北岸才得以收容、整頓。
中國第20軍、第58軍、第73軍、第4軍、第37軍和第78軍尾追至汨羅江南岸後，第78軍於13日從浯口渡過汨羅江，向長樂街以北實施超越追擊。
汨羅江至新牆河，夏守勳第78軍、陳沛第37軍、李棠第140師擺開阻截日軍的最後一道防線。14日，突圍與反突圍戰鬥激烈。日軍大批汽車開到此地被炸毀三十餘輛。大批日機低空射擊掩護地麵部隊突圍，第140師一名班長用輕機槍對空掃射，竟擊落日機一架。
日軍渡過汨羅江，在所經過村莊的牆壁上到處可見中文、日文標語：
“大刀向鬼子的頭上砍去！”
“湖南是倭寇的墓場！”
“湘北是日本鬼子的墳地！”
“強盜滾迴你們的海島去！”
1月15日，日軍退至新牆河北原防地。中國第20軍、第58軍、第78軍等一麵尋殲汨羅江以南殘留日軍，一麵向新牆河以北日軍陣地實施襲擊。至16日，基本上恢複了戰前態勢。日軍第11軍指揮所也撤迴漢口。至此追擊作戰結束。
會戰期間，日軍第1飛行團動用偵察第44戰隊、戰鬥第54戰隊和獨立第18中隊五十餘架飛機，支援其他地麵部隊作戰，給中**隊造成一定傷亡。
這時中國空軍尚未恢複實力，作戰飛機數量尚少。1月8日，當日軍敗退途中被圍困於福臨鋪地區時，中國空軍第2大隊從成都起飛九架轟炸機，至長樂街轟炸，以切斷日軍退路，配合圍殲作戰。返航途中遭到日軍第54戰隊八架戰鬥機攻擊。第2大隊邊戰邊退，擊落日軍戰鬥機一架，擊傷兩架。
第2大隊也損失轟炸機兩架，但創下了以轟炸機擊落戰鬥機的成功戰例。
（1）該戰區應速嚴令各部向長沙附近敵人圍擊，務確實截斷敵人退路，包圍捕捉敵人於戰場內而殲滅之。
（2）應速以一部先期擊破汨羅江敵人，占領各渡口；並即令孔荷寵部（暫54師）配合遊擊隊，迅速向武昌挺進襲擊。
（3）如敵突圍北竄，應以第73軍由長沙下遊渡江，另以一部由金井附近分向汨羅江北岸超越追擊，封鎖汨羅江各渡口，阻止敵人退卻；主力向敵跟蹤猛烈追擊，同時以有力一部向嶽陽挺進，乘虛襲取之。
（4）向敵追擊時，第10軍仍應守備長沙。
1月4日，薛嶽致電蔣介石：合圍反攻作戰即日開始，戰區正督勵各部“務勇猛前進，徹底殲敵，如敵由某部隊作戰地域內逃竄，即嚴懲該部各級主管及幕僚！”
蔣介石複電：號召各部殺敵建功，“如敵由某部正麵逃竄，即槍決其軍師長！”
4日晚，第九戰區獲知日軍撤退後，立即命令原準備在長沙附近合圍日軍的各部隊改變任務，轉為由不同方向堵擊或追擊撤退的日軍，以期“在汨羅江以南、撈刀河以北地區”“徹底殲滅敗逃之敵”。其部署為：
（1）羅（卓英）副長官為追擊軍總司令，指揮第26、第4、第73軍於5日拂曉前開始，以第26軍由牌樓鋪、東屯渡經楓林港、麻林橋、梁家橋（福臨鋪東北八裏）、麻峰嘴、栗山巷、長樂街道，向長樂街、伍公市追殲敗逃之敵。第4軍由阿彌街、左家塘，經東屯渡、石灰嘴、青山市、福臨鋪、李家坡、雙江口道，向新市、蘭市河追殲敗逃之敵。第73軍由長沙經石子鋪、馬鞍鋪、新橋、栗橋、馬山神、武昌廟、駱公橋道，向駱公橋、歸義追殲逃敵。
（2）楊（森）副長官為堵擊軍總司令，指揮第20軍、第58軍在象鼻橋（含）、福臨鋪、栗橋（含）自北向南堵擊北潰之敵，不得任敵由長樂街、駱公橋間竄過汨羅江北竄。
（3）王（陵基）副長官為東方截擊軍總司令，指揮第37軍、第78軍在楓林港以北、長樂以南地區，自東向西截擊北潰之敵。
（4）第99軍軍長傅仲芳為西方截擊軍總司令，指揮第99軍及第140師（師長李棠），在石子鋪以北、新市以南地區，自西向東截擊北潰之敵。第197師固守原防。第99師之一部固守湘陰、營田。
日軍第6師團因有第45聯隊留守朗梨市及渡口，撤退較為順利，5日淩晨即退至朗梨市。第3師團開始向東山撤退時，第79軍已進至東山附近瀏陽河東岸，並將渡橋炸毀。5日淩晨2時，第3師團到達東山時遭到第79軍堵擊。此時第4軍一部也由長沙城南向朗梨市迂迴，遂從側麵向日軍第3師團實施側擊。
在第79軍和第4軍夾擊下，日軍第3師團陷於混亂，死傷甚眾，被迫沿瀏陽河南岸向磨盤洲退卻，企圖仍從來時渡河點徒涉過河，但遭到北岸第79軍密集火力堵擊，死傷及溺死者達五百餘人，因而再次改向第6師團所在的朗梨市退卻。6日淩晨退至瀏陽河北岸，與第6師團會合。
這時中國第4軍、第79軍及第26軍也跟蹤追至朗梨市附近，向日軍發起攻擊。第3、第6師團並列北退，中**隊緊追。7日淩晨，兩師團退至撈刀河北岸、楓林港地區。
日軍第40師團由金井向春華山前進時，沿途遭到第37軍多次阻擊與側擊，其第236聯隊傷亡慘重，第2大隊長水澤輝雄、第5中隊長三宅善識及第6中隊長關田生吉等均被打死。到達春華山地區，又遭第78軍攻擊。7日夜脫離戰鬥，向學士橋退卻，傷亡慘重。
1月8日，日軍第3、第6師團由撈刀河北岸繼續北退，沿途遭到中**隊截擊、側擊。進至青山市、福臨鋪、影珠山地區時，遭到第73、第20、第58、第37軍攔截阻擊和第4、第26、第78軍追擊，第3、第6師團被包圍於該地區。
為接應第3、第6師團撤退，阿南惟畿令獨立混成第9旅團南下解圍。8日晚，該旅團向影珠山發動進攻。在該地區擔任堵擊的第20軍、第58軍立即進行反擊。經徹夜激戰，將該旅團擊潰，並將其一個大隊包圍於影珠山附近。戰至9日10時，該大隊除一名軍曹逃脫外，大隊長山崎茂以下全部官兵被殲。
1月10日，第6師團企圖向北突圍，其第13聯隊被第20軍和第58軍分割包圍於馮家塅附近，遭到猛烈圍攻。第1飛行團出動飛機支援，第13聯隊仍未突出重圍。聯隊長友成敏惟恐被殲後文件落入中**隊之手，下令將文件全焚。
阿南惟畿得到第6師團被分割包圍的報告後，立即令第3師團、第40師團及第9旅團分別從麻林市東、象鼻橋和影珠山以北向福臨鋪及其以北地區推進，一方麵解第6師團之圍，一方麵集中兵力向北突圍撤退。
1月11日，日軍第6師團及第3師團陸續突出攔截線，第40師團也從春華山東側北撤。第99軍、第37軍再次在麻石山、麻峰嘴等地進行截擊。日軍一麵抵抗，一麵撤退。至12日，日軍退至汨羅江北岸才得以收容、整頓。
中國第20軍、第58軍、第73軍、第4軍、第37軍和第78軍尾追至汨羅江南岸後，第78軍於13日從浯口渡過汨羅江，向長樂街以北實施超越追擊。
汨羅江至新牆河，夏守勳第78軍、陳沛第37軍、李棠第140師擺開阻截日軍的最後一道防線。14日，突圍與反突圍戰鬥激烈。日軍大批汽車開到此地被炸毀三十餘輛。大批日機低空射擊掩護地麵部隊突圍，第140師一名班長用輕機槍對空掃射，竟擊落日機一架。
日軍渡過汨羅江，在所經過村莊的牆壁上到處可見中文、日文標語：
“大刀向鬼子的頭上砍去！”
“湖南是倭寇的墓場！”
“湘北是日本鬼子的墳地！”
“強盜滾迴你們的海島去！”
1月15日，日軍退至新牆河北原防地。中國第20軍、第58軍、第78軍等一麵尋殲汨羅江以南殘留日軍，一麵向新牆河以北日軍陣地實施襲擊。至16日，基本上恢複了戰前態勢。日軍第11軍指揮所也撤迴漢口。至此追擊作戰結束。
會戰期間，日軍第1飛行團動用偵察第44戰隊、戰鬥第54戰隊和獨立第18中隊五十餘架飛機，支援其他地麵部隊作戰，給中**隊造成一定傷亡。
這時中國空軍尚未恢複實力，作戰飛機數量尚少。1月8日，當日軍敗退途中被圍困於福臨鋪地區時，中國空軍第2大隊從成都起飛九架轟炸機，至長樂街轟炸，以切斷日軍退路，配合圍殲作戰。返航途中遭到日軍第54戰隊八架戰鬥機攻擊。第2大隊邊戰邊退，擊落日軍戰鬥機一架，擊傷兩架。
第2大隊也損失轟炸機兩架，但創下了以轟炸機擊落戰鬥機的成功戰例。