情報當然都是真實的，阿南惟畿也沒有搞什麼佯動。可惜的是，薛嶽沒有從情報中看出應有的意義，因此他的兵棋與阿南的兵棋在日軍兵力分布上就大相徑庭。
如果說薛嶽從這些情報中看出了日軍的動向，那就是從8月份以來，日軍明顯有了將要進攻長沙的跡象。
除了上述情報之外，防守新牆河的部隊也送來了報告：日軍第六師團神田正塚師團長到新牆河北岸視察。不過，參謀長吳逸誌判斷這是神田擔心第九戰區的中國軍隊舉行反攻。
奇怪的是，薛嶽竟然也讚同吳逸誌的這種判斷，對此掉以輕心。
過了幾天，又有諜報人員報告，日軍已經停售武昌至嶽陽間的火車客票，而且這個區間的列車增多，運輸繁忙。同時，嶽陽的日軍強征民夫，加寬公路，增設電話線。
這個情報倒是引起了薛嶽的警覺，連忙召集高級幕僚人員研究對策。會議取得了一個共識，那就是日軍將向湖南北部發動進攻。
應該說，薛嶽對所有的情報都沒有給予足夠的重視，也沒有進一步發掘這些情報的價值。他認為，日軍在武漢周圍可以調動的兵力，至多不過四到五個師團。既然他認為日軍一定會用兩個師團在江西北部和湖北南部助攻，那麼在湖南北部戰場上也就隻能剩下兩三個師團的兵力了。
薛嶽在兵棋推演中，以日軍兩到三個師團為湖南北部的假想敵。他發現，以當前第九戰區統轄的兵力，加上鄰近戰區的支援，足以對付兩三個師團的日軍。
薛嶽充滿必勝的信心，自有他自己的理由。從第一次長沙會戰至今，時間過去了兩年。在這段不短的時間內，他對日軍的進攻有了防禦準備。一方麵他對各部進行了整訓，補充了武器和兵員，使各參戰兵團具有較完備的戰鬥力。另一方麵，他命令各部加強了陣地工事的構築，這些工事經過兩年時間的修築，已經相當堅固。在這一年的4月，他在修正防禦方案之後，進行了一次陣地攻防演習，還實地勘察，確認修改後的方案是可行的。
從這幾個方麵看，薛嶽有理由認為各部戰鬥力已經有了相當程度的提高。所以，他此刻對於再次會戰，充滿了必勝的信心。
9月初，薛嶽已經得到準確的情報：日軍在湖南北部增加了一萬人的兵力。第九戰區司令長官部內，作戰室燈火通明。薛嶽背靠大幅作戰地圖坐在首位，兩旁坐著戰區副司令長官羅卓英、楊森和王陵基，參謀長吳逸誌及高參們坐在薛嶽的對麵。參謀處長趙子立站在薛嶽的身旁。
趙子立首先向大家報告對敵情的判斷：“據可靠情報，以及嶽陽日軍的動向，最近，敵將以有力兵團由湘北等方向，企圖攻占長沙，掠奪濱湖資源，以解決其國內形勢的惡化。”
趙子立談到這裏，看了薛嶽一眼，薛嶽用讚許的目光對他回視。他繼續說：“這種判斷的理由有三點：第一，美日談判勢成僵局，日軍若能攻取長沙，或可對國際炫耀其尚有力量，借以獲得美國的諒解。而且，德蘇戰爭緊張，此舉也可與其同盟國德、意遙相呼應。第二，湖南濱湖各縣，產米甚豐，秋收方畢，若能掠取遠運，可使我軍民糧食困難，而陷我軍作戰於不利。第三，日軍既以有力兵團在臨湘和嶽陽集中，且修築向我長沙進犯的道路，其由湘北主攻長沙的企圖已經明顯。”
趙子立說完，坐到了一旁。楊森插話：“日軍早就宣傳，要對我的防地大雲山遊擊根據地進行掃蕩，現在已有日軍集結的跡象。”
薛嶽這時站起身，以平靜的聲調說：“和日軍我們已是多次交手，我自以為是能掌握我們的當麵之敵了。我的判斷：日軍這次仍然會從三個方向，至少也會從兩個方向進攻長沙。諸位可以回憶一下不久前的上高戰役，幾路並進的戰法與第一次長沙會戰如出一轍。”
看到在座的將軍們都顯出沉思的神態，薛嶽拿起解說棒，走向地圖，一邊指點一邊解說：
“我認為，日軍將以有力一部向三江口、秀才埠、吉安道，或沿贛江向豐城、新淦、吉安道；一部向高安、上高、萬載道；一部向修水、銅鼓道或九宮山、修水、銅鼓道；一部向桃樹港、龍門廠、獻鍾道；一部由九嶺、平江道指向瀏陽、醴陵；主力向楊林街、長樂街、福臨鋪道及粵漢鐵路湘江兩岸會攻長沙。”
解說棒的尖頭，在地圖上跳躍式地點擊著，薛嶽每說出一個地名，棒頭就準確地指向那裏，令與會者無不在內心讚歎薛嶽對地圖的嫻熟。
薛嶽判斷，日軍在江西會沿吉安、萬載、銅鼓三路進攻；在湖北南部會由獻鍾、九嶺兩路進攻；湖南北部仍然是日軍的主攻方向。
也就是說，他認為，日軍的進攻路線，與第一次長沙會戰完全一樣。
趙子立拿出4月份製定的作戰計劃和方案，根據這種判斷，基本上不需要進行什麼修改。
這兩年間，第九戰區的部隊，除第十五集團軍和第十九集團軍主力抽調去雲南以外，準備參戰的各個兵團，基本上也沒有變化。薛嶽此刻手中握有九個軍，另外還有會戰開始之後第六戰區和第三戰區可以支援的三個軍。
最後，薛嶽宣布了兵力的部署：
湖南北部：傅仲芳第九十九軍防守湘江至洞庭湖沿岸線，歐震第四軍防守新牆河一線，陳沛第三十七軍、蕭之楚第二十六軍防守汨羅江一線，李玉堂第十軍集結衡山整訓，作為機動。
湖北南部：王陵基第三十集團軍及孫渡第五十八軍和楊漢域第二十軍，防守地帶不變。
江西北部：有韓全樸第七十二軍、楊宏光新編第三軍、預備第五師和湘鄂贛邊區挺進軍。王耀武第七十四軍集結於新餘、分宜整訓，作為機動。
在作戰會議上，薛嶽的意見占據了主導地位，大家很快就統一了意見。於是，戰區長官部將《第九戰區反擊作戰計劃第一案》傳令各部：
前略
作戰方針：
戰區在贛北鄂南方向，對非主攻方麵之敵，極力夾擊於崇仁、新淦以北，宜春、萬載、銅鼓、修水以東，及修水、長壽街、梅仙以北地區，予以各個擊破；在湘北方麵，則誘敵軍主力於汨羅江以南，金井、福臨鋪、三姊橋以北地區，反擊而殲滅之。
指導要領：
崇仁、萬載兩方向，應運用誘敵殲滅戰法，務於崇仁、新淦以北，宜春、萬載、銅鼓線以東地區，將向該方麵進犯之敵反擊而殲滅之；修水方麵，應運用誘敵殲滅戰法，務於修水東北地區，將向該方麵進犯之敵，反擊而殲滅之；長壽街方麵，應運用誘敵殲滅戰法，務於長壽街以北地區將向該方麵進犯之敵，反擊而殲滅之；平江方麵，應運用誘敵殲滅戰法，務於梅仙以北地區將向該方麵進犯之敵，反擊而殲滅之；湘北主力反擊方麵，應運用誘敵殲滅戰法，務於汨羅江以南、金井、福臨鋪、三姊橋以北地區，將向該方麵進犯之敵，反擊而殲滅之。
上述各方麵反擊奏效後，分向永修、德安、瑞昌、鹹寧、蒲圻、嶽陽猛行追擊，相機收複九江、武漢失地。
這個方案一出籠，悲劇就在開戰前注定了。
薛嶽此時對日軍的情況做出了完全錯誤的判斷，從這份作戰計劃中就可以看出，他的想法與阿南惟畿的計劃相差多麼遙遠。
阿南惟畿耍陰謀，在大雲山拖住了中國的五個師。
橫亙於湖南和湖北邊境的大雲山，方圓三十多公裏，高聳於新牆河上遊昌水的北岸，海拔九百六十米，森林茂密，山勢峭拔，道路崎嶇，地勢險要。這座山是湖南北部的屏障，從東北出橫溪可通羊樓司，從東南下北港可達通城，從西北經桃林便逼近嶽陽。
中日軍隊在新牆河南北對峙，薛嶽將大雲山辟為遊擊區，派歐震第四軍一部據守，構成襲擊日軍的隘道。
阿南惟畿首先在大雲山向中國軍隊發起攻擊，是為了牽製中國軍隊的主力，掩護第十一軍的主力向湖南北部集結。為了實現這個計劃，他是下了一番工夫的。從8月份開始，他就將神田正種第六師團在武昌和嶽陽之間頻繁調動，並放出風聲，說神田師團將調到另外的戰場，同時揚言，日軍將對大雲山地區進行掃蕩，故意造成一種假象。
神田正塚於9月3日進駐西塘，檢閱了悄悄集結完畢的部隊。到達西塘的第二天，他就到托壩視察，在忠防和桃林等地各配置了七八千人。
第二次長沙會戰的前奏，就是神田師團從9月6日中午對南山、雁嶺和雞婆嶺中國守軍陣地發起猛烈的攻擊。
日軍的飛機和山炮，輪番投彈和轟擊，著力摧毀設在山石與大樹間的中國守軍陣地，隨後，日軍步兵如潮水一般從東、北、西三個方麵向山上漫湧而來。
守軍第一零二師師長柏輝章立刻給第四軍軍長歐震、第二十七集團軍總司令楊森和第九戰區司令長官薛嶽發報，內容隻有一個：大雲山陣地受到日軍第六師團猛烈攻擊。
柏輝章的上司們在各自的指揮所裏，看著參謀人員把日軍第六師團的標誌從其原來所在地的嶽陽移到大雲山這邊，心裏都在暗自嘀咕：阿南惟畿到底要幹什麼？真的是要掃蕩大雲山麼？
柏輝章本人卻沒有時間考慮這個問題，因為日軍的攻勢實在過於凶猛，雙方戰到黃昏，日軍便取得了向守軍進攻的前沿陣地。
7日清晨，日軍發動更大規模的進攻。仍然是飛機投彈、炮兵轟擊、步兵進攻。十幾架日軍飛機盤桓在守軍陣地上空，轟炸掃射，接著是炮火覆蓋射擊，逐漸向前延伸。
狂轟濫炸之後，三個聯隊的日軍從東、西、北三麵圍攻大雲山。柏輝章師受到日軍的猛烈攻擊，歐震嚴令他們堅守陣地。柏輝章對各團下達命令：“隻要能守住陣地，你們琢磨最好的辦法與敵人周旋，拖延時間。”
激戰到中午，柏輝章師打退日軍的多次進攻，沒有丟失一寸陣地。午後，日軍改變了攻擊方法，集中輕快部隊，用大炮掩護，猛攻雞婆嶺和草鞋嶺，經過兩次反複，突破了宋家坳陣地。到了黃昏，從西塘向八百市攻擊的日軍，占領了百羊田、八百市和甘田一帶。
這時，處在守軍最前沿的九六零高地，仍然在中國軍隊手中。這是大雲山區的一個製高點，守軍的火力可以大量地殺傷日軍。
第二天，日軍集中五千人圍攻九六零高地。這個小小的山頭被日軍的炮火全部成了鬆土，但守軍一個加強營組成第四攻擊隊，以慘重的傷亡為代價，牢牢地守住了這塊寶貴的陣地。
攻占了八百市的日軍，這時從南麵衝來，企圖對九六零高地進行四麵合圍。
歐震這時已經看到了第四攻擊隊全軍覆沒的危險，向薛嶽請示撤退。薛嶽同意了撤退，但命令他嚴密注視神田師團攻占大雲山以後的動向。於是，歐震下達了傍晚撤出戰鬥的命令。
日軍不久就占領了製高點，隨後將大雲山全部占領。
負有大雲山守土之責的第九戰區副司令長官兼第二十七集團軍總司令楊森，得知大雲山失守，十分焦慮。他認為，必須把大雲山奪回來，這對於整個會戰至關重要。然而歐震軍已經血戰了三天，傷亡嚴重，沒有增援部隊，很難發起反攻。
楊森電告薛嶽，請求將相距不遠的陳沛第三十七軍董煜第六十師撥歸第四軍指揮。薛嶽接到的偵察報告顯示，這兩天裏，日軍在湘北正麵沒有大的集結動向，同意楊森調兩個師增援大雲山，看看日軍對此會有什麼反應。
8日晚，孫渡第五十八軍新編第十師師長魯道源和陳沛第三十七軍第六十師師長董煜接到命令，率部離開湘北正麵防線，迅速向大雲山挺進。
9日，神田師團主力分頭向大雲山南側包圍，並越過了新牆河。
下午，歐震軍的偵察員直接給第九戰區長官部發報，報告日軍在大雲山大量砍伐木材，構築工事。薛嶽由此判定，日軍在大雲山的作戰除了以掃除身邊障礙為目的外，並無其他意圖，於是下令，從大雲山撤下來的兩個師，會同增援上去的兩個師，把攻占了大雲山的日軍趕回去。
後半夜，楊森將部隊調集完畢，以歐震軍的兩個師、孫渡軍的魯道源新編第十師和楊漢域第二十軍的夏炯第一三三師發起反攻，側擊和合力截擊渡過河的日軍。這些部隊經過激戰，將日軍壓回河的北岸，並乘勝追擊，迫使日軍退據五龍橋和百羊田附近。
這時，日軍青木成一第四十師團已經到達大雲山附近，接替神田師團繼續圍攻大雲山，而神田師團則抽身退走，準備與以後到達戰場的日軍主力共同對湖南北部發動總攻。青木師團是1939年6月在日本本土通善寺新組建的部隊，裝備和訓練都比較差，在神田師團攻下大雲山之後，阿南惟畿要偷梁換柱，將青木師團擺在大雲山，而把裝備最好戰鬥力最強的神田師團換到湖南北部的主攻方向。
這個交接過程之迅速，當麵中國守軍當時沒有察覺。落後的偵察手段，使薛嶽產生一種錯覺，認為日軍連續幾天的攻擊並沒有取得很大進展，極有可能被他的部隊擊潰。他誤以為日軍的進攻隻是一場小規模的攻擊行動。
因此，他於10日上午通過電話命令楊森：“著第三十七軍之第六十師，歸第四軍軍長歐震指揮，即以新編第十師、第五十九師、第六十師聚殲該敵，限立即行動，於明日拂曉會攻。”
楊森接令，立即指揮魯道源新編第十師自西向東、張德能第五十九師由東向西、董煜第六十師由南向北包圍日軍，並遵照薛嶽的命令，於11日拂曉開始攻擊，在當晚派部隊進行夜襲。
10日中午，魯道源率領新編第十師向大雲山快速前進，當部隊進入甘田北側的一條山穀時，尖兵分隊報告：有一支約三千人的日軍部隊迎麵開來，距魯道源師先鋒團一點五公裏。
魯道源師遇到的這股日軍，正是開往大雲山接替神田師團的青木師團的部隊，而且是這個師團中戰鬥力最強的重鬆潔第二三四聯隊。重鬆聯隊所走的沿沙河港向北進入大雲山的路線，正是出發時師團參謀長介紹不會出現大量中國軍隊的地帶，所以當他們與魯道源師相遭遇時，他們感到非常意外。
狹路相逢，兩軍倉促開戰。
這一天，魯道源師和重鬆聯隊從中午打到晚上，殲滅日軍一百多名，本身也有很大傷亡。打到晚上10點，青木師團後續部隊趕到，包抄魯道源師側後，魯道源連忙命令部隊撤出戰場，改道繼續向大雲山靠攏。
11日拂曉，魯道源師、張德能師、柏輝章師、董煜師四個師，合力向大雲山發起攻擊。戰到中午，魯道源師終於把旗幟插上了大雲山製高點，並收複了石塘衝和石壁橋，將當麵的日軍壓迫到石廟一線，日軍在這裏據守頑抗。
茅衝、和尚莊與鄧家橋一線的日軍，在張德能師和柏輝章師的猛力襲擊下，受到重創。
當天晚上，楊漢域軍、孫渡軍的攻擊隊和第六挺進隊的第八支隊、第九支隊和第十支隊，分途向大沙坪、羊樓洞、趙李橋和石城灣各地的日軍發動夜襲。
還沒有來得及被換走的日軍神田師團第十三聯隊，被中國軍隊圍困在甘田附近。這個聯隊遭到沉重的打擊，傷亡慘重，正在等待著中國軍隊向它發起最後一擊。正在這時候，青木師團重鬆支隊趕到，將奄奄一息的第十三聯隊解救出去。
12日，孫渡親自指揮魯道源師強攻甘田的日軍，但剛剛趕赴戰場的重鬆支隊抵抗頑強，魯道源師攻了很久，沒有攻下。
楊森沒有想到，被困的日軍，一夜之間就恢複了元氣。他把孫渡軍新編第十一師調來助戰，以五個師的兵力再次圍攻被困在甘田的日軍，打算一鼓作氣將它吃掉。
日軍聯隊長重鬆潔看到死傷慘重，而中國軍隊的攻勢還在加強，便遙向北方默默祈禱，準備殺身成仁。也是他命不該絕，青木師團的荒木支隊恰在這時加入戰鬥，竟使重鬆支隊穩住了陣腳。
日軍兩個聯隊合力反撲，空中還有飛機助戰，雙方搏鬥十分慘烈，死傷枕藉。
13日和14日，大雲山戰場上，中日軍隊開始殘酷的拉鋸戰。中國軍隊五個師將日軍壓縮在方圓不足十公裏的範圍內，一次次發起強攻，山嶺林叢間不時爆發激烈戰鬥。
14日傍晚，楊森接到薛嶽的命令，要孫渡軍朝西和西南、歐震軍朝西和西北，向日軍加緊攻擊。
在這場廝殺中，魯道源師派出了一支部隊繞到日軍背後，占領了一個高地，控製日軍向西北方向撤退的必經之路。下麵是當時在第三團第七連任中士副班長的龐穀豐後來的回憶。
第七連是中午出發的，一路急行軍，兩次遇到日軍飛機空襲，三人陣亡，八人負傷。黃偉連長請示營長後，為了隱蔽目標起見，改走小路，但不久又接到命令：為爭取時間，仍然走大路。
到了阻擊地點，戰士們就聽見東邊槍聲和手榴彈爆炸聲不斷。大家趕快挖出一些簡單的掩體和戰壕，構築工事。
大約在下午兩點鍾左右，日軍大隊朝第七連這邊開過來了。
最初隻聽見子彈在頭頂上嗖嗖地飛，迫擊炮彈遠一聲近一聲地炸響，卻不見半個人影。龐穀豐趴在戰壕裏瞪大眼睛找尋目標，同時等待命令。
日軍還是老一套，擺好陣勢之後，先是用迫擊炮朝守軍陣地上猛轟，但第七連的工事損失不大，沒有人員傷亡。接著，日軍端著槍往上衝，從煙塵之中就能看見日軍的模樣了。
日軍的兩側和身後都是中國軍隊，他們隻能從守軍防線向西塘方向突圍，這正巧撞到了第七連的槍口上。 ．
連長黃偉事先告訴大家：由他指揮機槍首先射擊，大家聽到這個信號，再用步槍一齊射擊。日本兵由遠及近地衝過來，跑得飛快。龐穀豐瞄準一個正對著他的日軍機槍手，那家夥端著機槍，光著上身，頭上紮著白布條，向守軍陣地衝來。龐穀豐緊張地等待著連裏發信號的機槍打響。
四百米、三百米、二百米、一百五十米……隻剩一百米了! 龐穀豐的心怦怦直跳。日軍機槍手壯得像頭牛，長著一身蠻肉。龐穀豐心裏慌極了，那個鬼子好像盯著他的眼睛，好像再跑幾步就要踩著他的槍杆子了!
就在這時候，他聽到黃連長發出變了聲調的喊聲：“打打打!”事後才知道，黃連長指揮的那挺機槍壞了，延誤了發信號的時間。
連長為了讓全連戰士聽見他下達的射擊命令，從掩體中“霍”地站起身來，在喊出那聲口令以後，還沒來得及臥倒，脖子就被日軍的機槍連射兩彈，當場犧牲。