日军精锐第3师团渡过汨罗江后已经于1941年12月29日向东移动，参加围歼国军第37军的战斗，可当晚却接到了“迅速由近路向长沙追击”的新命令。
于是第3师团便重新部署，至31日，第3师团主力已南攻至长沙附近的梨市和东山，准备攻击长沙。
鉴于上次会战中长沙失守而受蒋介石责备，薛岳决定派防御的第10军李玉堂部死守长沙。但是该部刚刚经历上次会战惨败，尚未恢复元气。
可就在这样艰险的情况下，第10军还是投入了其军史上最辉煌的长沙保卫战。
根据蒋介石在第三次南岳军事会议指示的防御要诀，薛岳命第10军下辖的3个师分别守外围阵地和核心工事。
他对第10军的作战要求：“第一步确保长沙；第二步，待敌进至浏阳河北岸，向长沙攻击三天后，待命向东反击敌军。”
薛岳还命令长沙警备司令部，宪兵第18团，三民主义青年团等单位协助第10军固守长沙。同时发动长沙军民加紧在城墙内外，交通要道，重要建筑物等处修筑工事，严阵以待。
湘军第73军在岳麓山和湘江西岸布置阵地，与第10军内外呼应；尤其在岳麓山设置了重炮阵地，可直接轰炸市内目标，在会战中发挥了重要作用。
薛岳这一系列安排，大大提升了长沙守军的防御能力。
军委会判定日军进攻长沙企图后，蒋介石于12月30日向第9战区指示长沙保卫战的作战方针：
“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。“
”我应以第二线兵力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，同时集举各方全力，一举向敌围击，以主力地位把握决战为要。”
这一正确的战略方针，奠定了第三次长沙大捷。
第9战区遂下令各参战部队以长沙为目标，分别从南，东，北三个方向作“向心攻势”，指定了各部队须准时到达的第一次攻击线，即距长沙较远的四周地区。
同时划定了各部队的第二次攻击线，即长沙附近地区，以期在日军围攻长沙时，不断缩小包围圈，集中优势兵力，从外线对敌实行反围攻。
1942年1月1日凌晨，日军精锐第3师团从梨市和东山附近渡过浏阳河，在20余架飞机支援下向长沙东南的阿弥岭，林子冲，金盆岭等国军阵地发起攻击。惨烈的长沙保卫战打响啦！
布置在外围阵地的预备第10师方先觉部与日军展开对攻战，“激战五小时，我阿弥岭，金盆岭阵地全被敌空炮摧毁，守军大半牺牲”。
当天下午，在工事被敌炮火摧毁，官兵伤亡很重的情况下，预备第10师被迫放弃第一道防线，后退至半边山，左家塘，农林实验场一线，继续抗击。
日军以飞机，大炮掩护，连夜轮番进攻。擅长夜战的日军精锐加藤大队（大队长加藤素一）曾一度攻陷邬家庄和军储库附近阵地，直逼长沙市区。
预备第10师迅速组织反击，“即与敌肉搏战斗，并纵火烧毁民房，敌无一幸免”。
国军又击退敌人，夺回两处阵地，“是役击毙大队长加藤素一少佐及小琢登大尉以下百余人，并俘获敌作战命令，阵中日记等机密文件甚多。”
从加藤身上还搜出文件显示了日军弹药已严重不足，这更激励起国军官兵的斗志。
1942年1月2日，中日两军仍在长沙东南郊的预备第10师阵地展开激战争夺。
几乎所有据点都反复易手，阵地前沿尸横遍地。国军装备火力不及敌人，但岳麓山上的重炮猛轰日军，给予强有力的火力支援；战斗呈胶着状态。
蒋介石为鼓舞守城将士士气，亲自给第10军长李玉堂及3个师长周庆祥，朱嶽，方先觉打电报，内称：
“我第10军官兵，两日来坚守阵地，奋勇歼敌，致堪嘉慰。此次长沙会战之成败，全视第10军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人，此种光荣重大任务，全国军民均瞩目于我第10军之能否完成，亦即我第10军全体官兵成功成仁之良机。敌人悬军深入，后方断绝，同时我主力正向敌四面围击，我第10军如能抱定与长沙共存亡之决心，必能摧敌强敌，获得无上光荣。”①
次日，蒋介石又命令前线各军师长，应勇猛前进彻底歼灭敌人，如敌军由各部之作战境内安全逃窜者，即严惩该部各级主管及幕僚长。
由于日军第3师团攻城遇阻，久攻不克。第11军决定加强攻坚力量，命令在栗梨的王牌第6师团“以主力进入第三师团的右翼，攻克长沙左侧和北侧。”
该师团立即向长沙挺进，在3日拂晓从长沙东北侧开始攻击第10军第190师阵地；这时，长沙城的东侧成为最惨烈的战场。
第10军官兵英勇拼杀，屡挫敌锋，并大量杀伤敌兵。第6师团虽以一部从北郊冲入城区，但很快遭到岳麓山重炮轰击，并被第10军反攻逐出城外。
面对日军最强的两大王牌师团，第10军打出了“泰山军”的威名。
日军主力强攻长沙城3天，仍被阻击城外，攻势已是强弩之末。日军原并无攻打长沙的计划，工兵“没有携带足够破坏城墙的炸药”，造成攻城异常困难。
其各参战部队所带弹药也有限，连续苦战，消耗极大，有些士兵甚至只能靠肉搏作战。虽有飞机空投物资，但很快消耗殆尽；反而减弱了其空中轰炸威力。
反观，国军第9战区不断加强长沙城内的防御力量，在3日命令第73军第77师渡过湘江进入长沙，归李玉堂将军指挥，成为第10军总预备队。
此时，外围的国军各部基本到达了战区所规定的第一次攻击线。
在长沙久攻不下，又有被反包围的不利情况下，日军开始考虑撤退。
当时，第3师团伤亡已达700多人，更重要的是所携带弹药几乎耗尽；其司令部和后防部队也“不间断地遭受来自岳麓山的重炮轰击，对官兵的威胁极大”。
阿南惟几在参谋人员反复劝说下，决定放弃攻占长沙的计划，于1942年1月3晚下达“反转”命令，限各部“自今停止扫荡长沙，于1月4日夜开始全线反转”。
在长沙苦战的第3师团长丰岛房太郎中将曾以第一线部队已冲入城内，正在巷战为由，“希望把反转日期再延期一日”，遭到阿南惟几的拒绝。
丰岛房太郎对死伤惨重而无战果极不甘心，他竟命令第3师团在4日晨向长沙发起最后的总攻。
日军最后的疯狂，使得长沙城的战况空前惨烈；李玉堂将军在长沙守城部队在伤亡极重的情况下，将传令兵，杂务兵，担架兵，输送兵组成1个连的敢死队，向日军发起反击。
“肉搏至再至三，阵地失而复得者五次”。国军第10军不仅顶住了日军疯狂进攻，还发起逆袭，斩获颇丰。