中國第九戰區司令官薛嶽，吸取第二次長沙會戰的教訓，采取名為“天爐戰法”的作戰方針，徹底破壞道路，在中間地帶堅壁清野，誘日軍深入，設置縱深伏擊區，把入侵之敵誘至決戰地區，從四麵八方構成一個天然熔爐，予以包圍殲滅。具體部署為：先以一部兵力利用新牆河至長沙的有利地形，進行逐次抵抗，待敵到達長沙地區後，再擇機與之決戰。
1941年12月24日，日軍第6師團向新牆河地區第九戰區第132師陣地發起攻擊，並強渡新牆河。26日，日軍第6、第40師團主力沿汩羅江向中國守軍第37、第79軍陣地發動攻擊。當天，日軍第3師團主力也到達汩羅江岸邊，與國軍第99軍激戰。28日，日軍第6、第40師團分別在新市、磨石灘等處渡過汩羅江，遭到第37軍的頑強阻擊。30日，日軍逼迫第37軍向東側山地轉移。此時，日軍第11集團軍牽製第九戰區援港任務已經完成。
香港於25日陷落，但阿南惟磯為雪第二次長沙會戰之羞，不經中國派遣軍總司令批準，於12月29日下令第3師團攻擊長沙，第6師團一部也攻擊長沙，主力攻擊長沙以東的梨市，第40師團向金井挺進，保護主力側後兩翼。
31日，日軍3個師團渡過汩羅江，主力移到梨市和東山附近。1942年1月1日晨，日軍開始進攻長沙。日軍第40師團占據金井並掩護側背，第3師團向長沙東南發動襲擊。
中國守軍第10軍李玉堂部第10師，與日軍激戰一晝夜，日軍突入白沙嶺陣地。國軍第27、第30、第19集團軍楊森、王陵基、羅卓英部及第99軍傅仲芳部主力，奉命向長沙包圍。1月2日，日軍繼續向長沙猛攻，日本飛機也狂轟濫炸。第九戰區以少量兵力在內線堅守，而外圍布置重兵，準備圍殲日軍。
1942年1月2日，第4軍歐震部進占跳馬澗東西線，第79軍夏楚中部抵瀏陽河右岸，第26軍蕭之楚部到達萬家橋、洞陽市一帶，第20軍楊漢域部及第58軍孫渡部到達長江源附近，第78軍夏守勳部與日軍第40師團在金井、脫甲橋一帶激戰，第99軍向撈刀河前進。第九戰區圍殲日軍的態勢已成。
1月3日，日軍第6師團主力向長沙守軍第190師陣地攻擊，日軍第3師團主力與預備第10師激戰。至4日，雙方展開激烈的拉鋸戰。
與此同時，長沙外圍國軍在合圍成功後，發起攻擊作戰。第4軍攻占林子衝等地，第79軍進至瀏陽河東岸，第78軍迫近春華山，第37軍攻占金井並向日軍第40師團攻擊。第20、第58軍到達伍家埠、漢家山一帶，第99軍到達龍頭。
為免遭中國軍隊圍殲，日軍於1月4日開始撤退。第3師團由長沙東西郊向東瓜山撤退，第6師團由長沙東北郊向梨市撤退。
國軍以4個軍尾隨追擊，2個軍向日軍左側側擊，1個軍又1個師向日軍右側側擊，3個軍對日軍進行堵截。
日軍撤圍長沙後，在中國軍隊的打擊下，無法脫離戰場，每天後撤不及10公裏。為盡快脫離戰場，日軍急調擔任掩護任務的第9獨立旅團火速增援，卻被國軍包圍於花門樓、古華山地區，激戰至8日，幾乎全軍覆沒，未能與主力會合。
長沙撤退之日軍第3、第6師團於1月6日分由長橋、牌樓鋪北撤。1月7日，第26軍跟蹤日軍向撈刀河以北追擊，第79軍追抵撈刀河北岸濱坳附近，第4、第73軍過撈刀河北追擊。1月8日，日軍由撈刀河北岸退至栗橋、春華山以南，沿途遭到第73、第20、第58、第37軍截擊。第4、第26、第78軍將日軍包圍於栗橋、影珠山以南。與此同時，中國空軍也轟炸長樂街、新市、浯市口之敵，進行配合作戰。
在中國軍隊的強大攻勢下，1月12日，日軍退過汩羅江北岸，國軍也隨之追至汩羅江南岸。1月15日，日軍退過新牆河。第九戰區部隊追至新牆河南，以一部兵力向河北岸追擊。16日，雙方恢複原來態勢。
第三次長沙會戰，日軍死傷5.6萬人，國軍繳獲大批軍用物資，再次挫敗了日軍向長沙的進攻。中國軍隊傷亡3萬人。
長沙和桂南之戰，尤其是長沙之戰，是日本發動太平洋戰爭後，一路勢如破竹。在中國戰場上的挫敗，是其這一時期唯一的敗仗，由此也使得中國軍隊的光輝戰績為盟國所推崇。
桂柳和長沙之戰，日軍企圖打通大陸通道的計劃未能得逞。使得日軍在中國的軍隊被分割在華北、長江中下遊地區、廣東及珠江沿岸三個地區。此時，在歐洲戰場上，希特勒與日本法西斯集團一樣，也陷入困境，一時間難以戰勝英國。尤其是英國空軍打敗了德國空軍對其本土的攻擊後，開始對德國本土的戰略轟炸，對於其以後的戰略地位，產生了重大影響。那麼，這是怎麼回事呢？