麵對日軍的進攻，第九戰區司令長官薛嶽率羅卓英的第19集團軍，楊森的第27集團軍，王陵基的第30集團軍，以及戰區直轄的第99軍、第97軍和暫編第2軍，共14個軍36個師，8個縱隊，約27萬人。但中國軍隊裝備落後，尤其是沒有製空權。
針對日軍的進攻態勢，采取正麵逐次抵抗，將日軍誘往長沙東北和東麵山地的既設陣地前，用火力殺傷之；同時以7個軍的重兵集團，威脅左翼日軍的側翼和後方，使之不能形成對長沙地區的合圍；另根據蘇聯顧問的建議，乘日軍漢口空虛之際，以第五、第六、第三戰區部隊向宜昌、荊門、南昌等地發動進攻，以鉗製日軍，並相機收複失地。戰役防禦重點在新牆河至汩羅江一帶，阻擊日軍南犯。
9月17日，第二次長沙會戰開始，日軍在阿南惟磯指揮下，當天拂曉，主力分四路強渡新牆河，向南岸中國駐軍發動攻擊。
中國軍隊第4軍歐震部以一部正麵抵抗日軍，主力會合第58軍孫渡部、第20軍楊漢域部占領側麵陣地，側擊和尾擊日軍。18日，日軍平野支隊在海軍掩護下，在湘江口兩側青山強行登陸，守軍第197師萬倚吾部雖奮力抗擊，因四麵環水，使日軍登陸成功，得以策應主力正麵攻擊。
19日，薛嶽電令第99軍傅鍾芳部、第37軍陳沛部主力在汩羅江南岸設防；第四軍歐震部、第20軍楊漢域部、第58軍孫渡部對渡過新牆河之敵攻擊前進。
不幸這一電報為日軍情報機關偵破，日軍遂包圍第九戰區阻擊部隊。9月20日、21日，日軍渡過汩羅江。
日軍強渡汩羅江成功後，繼續向長沙攻擊前進。9月22日，第3、第4師團攻擊陳沛部陣地，戰至24日，日軍突破該軍防線，進至新開市、麻峰嘴一線。第6、第40師團圍攻第26軍蕭之楚部。隨後，第6師團向平江迫進，24日攻占長沙東北麵的金井，與第3、第4師團同時向長沙逼近。中國守軍在日軍強大火力攻擊下，呈潰散之勢。
在這關鍵時刻，26日，第74軍王耀武部與奔襲長沙的日軍第3師團相遇，第74軍乘日軍立足未穩，即發起攻擊。27日，增援日軍繞至第74軍側背，致使該軍傷亡慘重，被迫撤退。當日，日軍第4師團及早淵支隊沿白沙河穀向長沙挺進。早淵支隊攻占南岸陣地後，突破中國守軍第98師陣地，南渡瀏陽河，攻擊長沙。27日下午和晚上，早淵支隊攻入長沙市郊。
日軍攻占長沙市郊後，認為對第九戰區主力第74、第37、第17、第26、第10軍予以重大打擊，達到作戰目的，且日軍連日作戰，消耗甚大，決定停止大規模進攻，並逐步撤退。與此同時，第九戰區增援部隊陸續到達。將日軍困於撈刀河與瀏陽河之間，準備反攻。
9月30日，長沙城郊日軍請求增援，但其求援信鴿被中國軍隊第98師所獲，薛嶽遂令第74軍王耀武部追擊。10月1日，長沙附近日軍開始退卻，第98師王甲本部在撈刀河岸伏擊早淵支隊，第99軍襲擊後撤的日軍第3、第6師團，第27集團軍所轄部隊阻擊日軍主力。
國民政府軍委會得知日軍撤退消息後，命令薛嶽所部追擊。10月2日，薛嶽令夏楚中第79軍主力向新市長樂街追擊；韓全樸第72軍經平江北山地向楊林街截擊；孫渡第58軍經浯口向長樂街、關王橋截擊；歐震第4軍、楊漢域第20軍、傅鍾芳第99軍兩個師分別在金井、麻峰嘴、青山市、馬鞍鋪自東向西截擊；蕭之楚第26軍、王耀武第74軍、鄒洪暫2軍清掃瀏陽、撈刀兩河岸戰場；王勁修率第4、第5、第8挺進縱隊於新牆河、楊林街、忠林街間截擊。中國軍隊隨即展開反攻，追殲殘敵。
10月5日，日軍殘軍一部由湘陰乘船北逃，第九戰區所部乘勝追擊。日軍渡過汩羅江，10月8日，第九戰區追擊部隊渡過新牆河，中日雙方恢複會戰前的態勢。
為牽製日軍，配合第九戰區作戰，第六戰區發動宜昌反攻作戰。10月3日，第六戰區完成對宜昌日軍第13師團的包圍。6日，擔任主攻作戰的第9師乘隙攻入宜昌東北。隨後，第9師張瓊部、新編第33師張世希部、第76師王淩雲部向宜昌發動猛攻。日軍第13師團師團長內山英太郎中將寫好遺書，準備自殺。10月10日，日軍被迫退出宜昌城。
13日，日本空軍投毒氣炸彈，中國軍隊被迫退至城外。隨後，日軍增援部隊趕到，與中國軍隊激戰，才解第13師團之圍。
第二次長沙會戰斃傷日軍4萬餘人，粉碎了日軍的作戰企圖，而宜昌作戰，則是1940年正麵戰場唯一的一次主動發動的進攻戰役，殲滅日軍7000餘人。
日軍兩次進攻長沙，均未達到預期作戰目標。太平洋戰爭爆發前夕，日軍為策應進攻香港的作戰行動，牽製第九戰區部隊南下增援廣九方麵，決定再次向長沙進攻。日軍第11集團軍司令官阿南惟磯集中第3、第4、第6、第39、第40等師團各一部及獨立第11、第14旅團，配以炮兵、工兵、戰車及艦艇部隊，共12萬餘人，擬於嶽陽地區實行正麵突破。