會戰前守軍不斷派出部隊向日軍後方襲擊，破壞其交通設施。
日軍第11軍為準備實施“加號作戰“，掩護其主力向新牆河以北集中並隱蔽展開、占領較大的渡河地帶，命令原在嶽陽地區擔任守備的第6師團對大雲山進行掃蕩，解除這一側後威脅。
9月9日晨，第6師團第、第45聯隊在航空兵支援下從忠坊向大雲山北側雁嶺、詹家橋展開進攻，遭中國守軍阻擊後向東南側迂回。
其第1聯隊向大雲山西側進攻，與守軍第10師發生激戰。
這時，中國第7集團軍發現鄂南鹹寧地區日軍第40師團向湘北調動，判斷是與第6師團換防，日軍向大雲山的進攻，是換防前的例行攻勢。
於是於9日18時命令第4軍確保大雲山，命令第58軍派出部隊協同第4軍作戰，並命令第0軍準備從通城向西側擊日軍，乘日軍換防時給以打擊。
1941年9月9日至10日，日軍第6師團主力繼續向大雲山東側猛攻，守軍雖奮力抵抗，但因日軍兵力、火力均處於優勢，堵擊無效，乃棄守大雲山。
10日，第6師團主力認為已完成掃蕩任務，撤離大雲山，向桃林方向集結，其第1聯隊則在甘田、團山坡附近被中國第10師和第59師一部所阻，陷於苦戰。
同日，中國第58師收複大雲山陣地，向大雲山增援的第7軍第60師亦已到達戰場，第7集團軍遂命新編第10師、第59師、第60師包圍並殲滅當麵日軍，定於次日拂曉開始攻擊。
11日，正當這個師與第1聯隊激戰時，由鹹寧西進的日軍第40師團重鬆支隊(以1個步兵聯隊為基幹組成)趕到甘田，接應第1聯隊向草鞋嶺撤走。
1日至14日，中國軍隊繼續向重鬆支隊展開進攻，雙方在甘田、團山坡的狹區域內互相爭奪，傷亡均重。
此時第九戰區仍未判明日軍進攻長沙的企圖，依然認為日軍向楊林街以北的甘田進攻是掩護其撤退的動作。
薛嶽14日致電老頭子稱:日軍“掃蕩我大雲山後，南渡新牆河竄擾。經判斷敵又使上高時第師團以進為退之故伎“。
15日，日軍又以剛從贛北開來的荒木支隊增援，戰鬥極為激烈。這時，第九戰區發現日軍已有4個師團以上的兵力集結於湘北，方發現日軍有即向長沙發動大規模進攻的跡象，遂令第7集團軍主力向新牆河以南轉移，大雲山戰鬥至此結束。
這時候，重慶的軍方高層才明白了日本人的意圖。
“娘稀匹！日本的大雲山地區的戰鬥意在掩護進攻長沙的部隊集結，我們上當了。”老頭子氣得將手中的水杯甩在地上。
所有的人都不敢話，事先周林的電報過來後，老頭子雖不認可這個可能，但還是在作戰會議上將其講了出來，讓大家分析其可能性有多大。
結果，百分之八十的人認為這是情報員無能，這麼容易就上了日本人的當，傻瓜都看的出來這是騙人的。
百分之二十的人有懷疑，其中包括白總長。
但這百分之二十的人當時沒有表態，也沒有提出自己的疑問，結果使這一重要的情報廢了。