為了保住長沙，薛嶽急切地催促第六戰區和第七戰區的增援部隊火速趕來。同時，他命令敵後的歐震第四軍、孫渡第五十八軍和楊漢域第二十軍趕來長沙阻擊日軍，還命令蕭之楚第二十六軍、陳沛第三十七軍、李玉堂第十軍和王耀武第七十四軍各軍，也收拾殘部，向長沙方麵的日軍發起攻擊。
王耀武軍被日軍擊潰以後，長沙以北暫時沒有一支師以上的主力部隊阻遏日軍開往長沙的步伐了。日軍北野第四師團和早淵支隊在擊敗陳沛軍的第九十五師以後，正在向長沙逼近。
26日，薛嶽盼望的援軍到來了，但來的數量不多。第六戰區派來增援的夏楚中第七十九軍的王甲本第九十八師，從常德開到了長沙，當天中午在長沙東北兩公裏處占領了陣地。當天黃昏，最先向長沙城發動攻擊的日軍早淵支隊與王甲本師接戰，開始攻擊守軍陣地。
王甲本字立基，雲南富源人，畢業於雲南講武堂第十四期和陸軍大學第十四期。抗戰爆發後，他率部與日軍作戰大小二十多次，第一次長沙會戰中他率部反攻湖北南部的通城防線，在龍門廠和長壽街截殺逃跑的日軍，消滅日軍一千多名。
這一天，他這個師在與日軍接戰後，他想將日軍阻擋在長沙郊外，便率領部隊主動向前迎擊日軍，發起了反攻擊。兩軍打到深夜，不分勝負。
27日拂曉，早淵支隊主力到達，二十多架日軍飛機也來助戰，摧毀了守軍連夜修築的工事。轟炸過後，步兵開始猛攻。王甲本和其他幾名師指揮員分頭下到各團督戰。部隊在工事廢墟中頑強抵抗。
日軍一次次衝上來，又被打退下去。守軍陣地上烈士與傷員不斷地向後抬，時間在不知不覺中到了中午。陣地送不上水，為了填飽肚子，官兵們在戰鬥間隙拿出隨身攜帶的幹糧一點點幹嚼，一口口硬咽。
下午兩點鍾，日軍北野師團一部向王甲本師陣地側後偷偷包抄過來，一百多名等待轉移的傷員不幸與這股日軍相遇。日軍端起刺刀，朝這些沒有武器的官兵猛刺，搏鬥中有一名傷員撲上去拉響了日軍身上的手榴彈。
為避免全師覆滅，王甲本含恨下達撤退命令，帶領剩下不到半數的部隊退出戰場。
當天下午，日軍早淵支隊從長沙城的東北角衝入長沙，守住新開至武城門，掩護其他部隊入城。
當時任夏楚中軍第二九三團第二機炮連排長的徐誌超老人回憶道：
……晚上10點，團長命令第八連迅速占領雞公山，全團用迫擊炮、重機槍掩護其前進。敵人麵對進攻，一槍不發。不一會，天空發現第八連的信號彈，知道八連已進入敵人陣地，準備衝鋒，我團遂停止射擊。過了片刻，第八連衝鋒號響了，官兵喊殺聲一時驚天動地，第八連衝到半山時，忽然雞公山上的敵人以異常猛烈的火力，向我八連射擊，震耳欲聾。第八連官兵一時傷亡慘重，不得不撤退。連長嗜輝庭、排長郝登高、李遠誌壯烈犧牲，全連一百二十多人，生還者隻十餘人。隨後團部又派第三營其他兩個連再行攻擊，仍未成功，營長黎富春英勇犧牲。原來，敵人潛伏在山頂後背的工事裏，當我部衝到山腰時，才進入陣地，用各種武器同時向我猛烈射擊，居高臨下，以致我部傷亡慘重……
第七戰區增援部隊鄒洪暫編第二軍的張君崧暫編第八師，由張師長帶領一個旅，於27日晚7點趕到長沙東郊的左家塘，從第九戰區接應人員嘴裏獲悉，日軍早淵支隊已從北門進攻市區，另有一個支隊在距左家塘三公裏處待命。
怎麼辦？是打進城去，還是攻擊城外的日軍？張君崧權衡良久，還是決定先打城外的日軍。他命令部隊擺開隊形，趁黑夜向日軍摸去，試探性地衝擊了一下，發現日軍嚴陣以待，無懈可擊，隻好退了回來。
28日黃昏，夏楚中軍趙季平暫編第六師到達嶽麓山。官兵們在山上，隔著湘江水，望著夕照中初次被日軍占領的長沙城，萬般滋味湧上心頭。
深夜，趙季平接到薛嶽的電令，要求他率部東渡湘江，驅逐進攻長沙的日軍。他看完電報後，在地圖前佇立許久，連日來擾心的煩躁煙消雲散。
不光趙季平一人，在這次會戰中，許多參戰將領都有一種在打亂仗的感覺。日軍動作大，又非常迅速，把握不住，第九戰區盲目地拿許多部隊堵上去，不論王牌還是雜牌，竟是一一垮掉。仗打了十天，中國軍隊苦吃夠了，日軍也疲憊不堪。現在，第九戰區終於找到了感覺，有章有法地組織起各個部隊開始反攻。
29日淩晨，趙季平下令強渡湘江，攻擊長沙的日軍。經過一個白天的準備，當天深夜，全師分為六路，乘船悄悄渡過江麵。
各路渡江部隊進展十分順利，在大西門登岸的一路與日軍遭遇，發生激戰，也在意料之中。大西門之戰打響後，各部加快了渡江速度，上岸後一陣猛攻，將江邊的日軍打退，乘勢攻入市區，這時天已微明。
趙季平師與早淵支隊在市區發生巷戰。這時候，日軍北野師團主力也已開到長沙，豐島師團、神田師團和青木師團全部到達長沙外圍。
趙季平一看雙方兵力懸殊過大，隻好率部撤出城去。
日軍攻占長沙後，由北野師團留駐長沙，豐島師團繼續向株洲方向追擊，企圖殲滅南撤的中國軍隊。
第二天清晨，日軍豐島師團一個騎兵大隊突進到東山附近。 楊宏光新編第三軍新編第十二師剛剛抵達，在馬鞍山和白田鋪一線布防，對日軍嚴陣以待。他們用輕重機槍齊射，日軍死傷慘重，騎兵大隊頓時四處逃散，失去了戰鬥力。
兩個小時後，日軍又出動步四千多名兵兵和騎兵，在三十多架飛機的掩護下，發起新的攻勢，企圖包圍新編第十二師。
新編第十二師官兵奮勇抵抗，愈戰愈勇，打退日軍許多次進攻。激戰到下午，日軍又增加了兵力，攻勢空前猛烈，守軍眼看就要丟失陣地。這時，團長劉世焱上校端起一挺機關槍，大叫一聲：
“兄弟們，跟我衝啊！”
喊聲剛落，他就縱身躍出戰壕，向日軍猛衝過去。官兵們受到鼓舞，緊跟他向日軍衝去，一時間殺聲震野，日軍攻擊勢頭頓挫。
進攻中，劉世焱左臂受傷，裹傷再戰，胸部又中五彈，壯烈犧牲。國民政府嘉獎他英勇作戰，追贈他為少將。
日軍第一次進入了長沙城。但是，種種跡象表明，他們無法占領這座城市。
此時的長沙城，對於冒險深入的日軍來說，無異於一座活棺材。中國軍隊正從四麵八方向長沙攻擊前進。連日來，日軍給了中國軍隊不小的打擊，但是，第九戰區所有的軍師團，沒有一個完全喪失作戰能力。
而且，進入了長沙城的日軍，發現這座城市的地形易攻難守，更是十分惶恐。
日軍第三師團長豐島房太郎，自從踏上中國的土地，一路從淞滬、南京殺來，印象中留下了許多顯赫的戰績，但他此刻置身於長沙這座古城，心中卻一點也不塌實，這是前所未有的事情。
他知道，他的部隊將要陷入新一輪的惡戰。第九戰區和其他戰區的中國軍隊，正在不斷向長沙湧來。日軍對長沙的占領，隻會是一個短暫的瞬間。他的部隊必須抓緊休整，準備投入更加殘酷的戰鬥。
因此，豐島房太郎命令部隊立即進行休整。
戰局的變化十分微妙，薛嶽和阿南惟畿都洞悉了其中的變數。
薛嶽始終沒有忘記，在快速推進的日軍四個師團的後方，還有一支重要的中國軍事力量。
在新牆河第一線防禦陣地失守後，已近六十歲的楊森率領歐震第四軍、孫渡第五十八軍和楊漢域第二十軍，避開日軍攻擊的鋒芒，進入了山地。等到日軍走遠了，這幾支部隊立刻伸出了觸角，偵察日軍的動向，準備有所作為。
日軍當然也能感覺到存在於後方的這種威脅，這些中國軍隊沒有喪失戰鬥力，與壓迫他們的日軍形成對峙，隨時有可能對向南席卷的日軍發起反攻。
楊森集團軍的存在，使薛嶽相信，日軍攻占長沙，隻是一時的得逞。
日軍向汨羅江第二線防禦陣地發動攻擊時，薛嶽就想到要發揮楊森集團軍的作用。他命令楊森所部猛擊日軍的尾部，以牽製日軍對汨羅江防線的陳沛第三十七軍和蕭之楚第二十六軍的進攻。
楊森觀察敵情，作出判斷之後，於20日拂曉命令歐震軍為中路縱隊，孫渡軍為右路縱隊，楊漢域軍為左路縱隊，同時向南攻擊前進。這三個軍追著日軍的屁股打了一天。
歐震軍首先與日軍青木師團開戰，要把將楊森集團軍壓迫在山上的日軍趕走。
我們還記得，歐震軍除了本身的三個編製師以外，在擔任新牆河一線防禦任務時，還指揮著陳沛軍的董煜第六十師。歐震將傷亡較大的柏輝章第一零二師留在原地休鼙，率領張德能第五十九師、董煜第六十師和陳侃第九十師向日軍攻擊。
21日上午，董煜師與日軍在山地上展開戰鬥。山道又窄又長，兵力無法展開，雙方激烈地爭奪每一段道路。董煜利用戰鬥間隙，率部從側麵穿插而過，向駐守張家園的日軍發動進攻。
奇怪的是，張家園地方雖小，日軍卻拚命固守。部隊從一個乞討的老漢嘴裏得知，張家園有日軍的倉庫。董煜恍然大悟，連忙組織敢死隊衝鋒，後續部隊也緊跟而上，將三百多名日軍全部殲滅。
部隊正要穿過張家園前進，意外地發現了日軍的供應基地轉運倉庫。大帆布下，是堆得很高的一箱箱炮彈、子彈、食品、藥品，還有汽油、防毒衣、電話線、屍袋和擔架等等。董煜大喜，對副師長說：“簡直是個百貨商店！”立即下令搬運，官兵們立即變成了搬運工。
剛將戰利品運走一半，十幾架日軍飛機飛過來低空轟炸，大批日軍部隊在飛機掩護下向張家園進攻。董煜意識到這些補給品對日軍一定非常重要，日軍更舍不得讓中國軍隊搬走，肯定會不惜一切代價來爭奪，於是他立即下令：“剩下的不搬了，立即炸毀！”
不久，隨著一陣轟隆隆的巨響，董煜師撤離了張家園，日軍的補給品全部變成了碎片。
23日之後，楊森派出整建製的師到南進的日軍背後襲擾，還派許多個營或連的小分隊，伏擊日軍輜重隊，破壞日軍補給線。
25日，蕭之楚軍和陳沛軍作戰失利，楊森指揮手下戰鬥力較強的部隊，向日軍發動攻擊。在攻擊戰中，陳侃師奪取了浯口，張德能師攻到汨水北岸，董煜師推進到東港，孫渡軍一部於26日控製源壩、哲陽橋一線公路。楊森的部隊所到之處，各大道要點上小股據守的日軍和運輸補給線，都被一一清除。
楊森認為各部隊前進速度還不夠快，又命令各軍：
各部隊到達汨羅江後，應速向南岸之敵壓迫，勿稍觀望。各軍應深入敵後，不得以到達目標為滿足。
這時，日軍正在圍攻李玉堂軍，第九戰區在長沙方麵已經沒有預備隊。楊森沒有辜負薛嶽的期望，立即留下孫渡軍繼續在敵後尾擊，自己率領歐震軍和楊漢域軍向金井方向前進。
到了日軍攻打長沙的時候，歐震軍和楊漢域軍已從北向南到達長沙北郊附近，做好了圍攻長沙的準備。
由於有楊森集團軍尾隨日軍到來，這次會戰的主動權，第一次由中國軍隊掌握在手中。
9月30日夜晚，嶽陽的日本第十一軍指揮部內，仍然是燈火通明。阿南惟畿已經有好幾個晝夜沒有合眼了。參謀長木下勇把前方各個師團的報告放在司令官的案頭，阿南不用看也知道，各師團都在向他催要補給。阿南並沒有忽視他們的要求，他太清楚一線作戰部隊得不到補給將意味著什麼，但是他已經盡力了。他已經派出裝甲部隊運送彈藥和給養，卻沒想到，五十輛裝甲車全部被中國軍隊擊毀，跟隨裝甲車擔任護衛的一千多名步兵，也被中國軍隊全部消滅。
這幾天，阿南有一種越來越強烈的感覺，戰局好像正在向對日軍不利的方麵轉變，他的部隊在會戰初期所取得的勝利，如果他現在稍有不慎，就會轉變為凶險的失敗。
不錯，他的部隊已經打進了長沙，但這並沒有給他帶來勝利的喜悅。這是為什麼？他的部隊在從新牆河打到長沙的過程中，不斷地重創了中國軍隊，擊潰了精銳的李玉堂第十軍，又越過了王耀武王牌第七十四軍的防線，他是應該為自己的大兵團突破取得戰果而高興的，可是他現在卻憂心忡忡。他原本打算在9月27日那一天飛抵長沙城，向全世界宣告大日本帝國的無敵，可是他因為諸多顧慮，取消了這個計劃。
各方麵情報表明，那些被日軍擊潰和趕跑了的中國軍隊，還有從外地趕來增援的中國軍隊，正在長沙周邊重新集結部署，而已經進入長沙地區的日軍四個師團，經過連日的快速推進與作戰，已經疲憊至極，並且在不斷減員，一些士兵沒有戰死卻是累死了，或者沒有被槍炮擊倒卻病倒了。更為嚴重的是，各師團有可能陷入沒有彈藥、沒有糧食、沒有藥品的絕境。
阿南惟畿站在遠離前線的嶽陽，感覺前方的四個師團，就像四隻斷了線的風箏，已經墜落到地上，隨時有可能被別人收拾掉。
這不僅僅是一種預感，這是非常現實的緊迫的問題。阿南知道，如果他不趁早把這幾隻風箏拉回來，恐怕就再也來不及了。
還有一件事情壓在他的心頭。這就是宜昌被圍。那個軍事重鎮要是丟掉了，那可是事關戰略全局。宜昌四周已經出現大量的中國軍隊，馬上就會開始攻城，如果他守不住這個威脅中國陪都重慶的重要據點，天皇陛下會對他有什麼想法？
由此看來，在中國作戰，比他原來預想的要複雜多了。他臨來中國戰場前，一位相處多年的同僚跟他握別時，悄聲對他說：“中國是個大泥淖，老兄好自為之！”他現在似乎領略了這話的含義。
阿南惟畿痛感自己失掉了會戰的主動權。他被迫要把長沙地區的四個師團北撤，被迫要抽調部隊回援宜昌。在度過了又一個無眠之夜後，他陰沉著臉下達命令：“全線撤退。”
10月1日下午4點鍾，日本第十一軍武漢軍部通過廣播聲明：
此次長沙、株洲作戰，打擊敵野戰軍及秋收的目的已達到，故即撤退，恢複原來態勢。
這個聲明播出的時候，日軍各師團已經按照阿南指定的路線開始撤退。
與此同時，中國第九戰區司令長官薛嶽的追擊部署，正在傳達到所屬各部：
暫編第二軍一部、第七十九軍主力、第七十四軍由南向北追擊；
第二十六軍、第二十軍、第四軍自東向西截擊；
第九十九軍由西向東截擊；
第七十二軍、第五十八軍向平江西北行超越追擊；
湘鄂贛邊區挺進軍鄂南指揮部，在鹹寧、蒲圻間截擊敗退之敵，使其不能乘車回竄，該挺進軍第六、第七挺進縱隊自東向西截擊，使日軍不能安全渡過新牆河。
薛嶽的命令剛下達兩小時後，蔣介石的電令從重慶發到了第九戰區司令長官部：
向湘北進犯之敵，已於1日夜向嶽陽方麵退卻。第九戰區應乘敵疲憊，果敢追擊，乘機占領嶽陽，並應積極破壞武嶽鐵路，分向各路退卻之敵沿途襲擊、伏擊、猛烈打擊，使其不能退回原防，並牽製遲滯其向武漢方麵轉移，以利第三、第五、第六戰區之作戰。
薛嶽讀完這份電報，頓時有了一種責任感。他知道，第三戰區和第五戰區策應第九戰區作戰，隻是象征性地對當麵的日軍進行了一些小規模的襲擾，如同隔靴搔癢。真正起作用的是第六戰區對宜昌的包圍。為了這一點，他衷心地感謝蔣委員長進行的全局調度，也感激第六戰區的司令長官陳誠。目前宜昌尚未攻克，日軍打算迅速回援，如果他薛嶽不能在湘北攔住、拖住、纏住日軍，那麼他就對不起上麵所說的這兩個人了。
於是，薛嶽根據蔣介石的電令，調整了追擊撤退日軍的作戰部署，命令各級指揮員下部隊督戰，他希望能夠在追擊中重創日軍，至少要能把日軍更久地拖在湘北。
不過，雖然這場追擊攔截戰聲勢造得很大，但實質性的戰鬥卻不如薛嶽預料中的那麼多。聲勢的浩大，可以從薛嶽給上峰的電報中看出來。
薛嶽於10月2日致蔣介石和軍令部長徐永昌密電：
此次進犯之敵經我軍晝夜之圍攻痛擊，傷亡過半。而敵由武漢各地抽派民夫十五萬趕築新牆、汨羅後方交通線，增援補充，但均被我軍處處截斷。
薛嶽10月6日發往重慶的電報：
敗逃之敵自東日以來被我歐、楊、傅三軍在汨羅江、撈刀河間猛烈截擊，蕭、夏兩軍猛烈追擊。至本魚日其主力狼狽渡汨羅江，北岸沿途遺屍甚多，刻我韓軍先頭部隊已達到楊林街，正自東向西截擊敗逃之敵，孫軍正在大荊街西方猛烈攻擊，歐軍已由長樂街附近渡江，協力孫軍自東向西截擊敗逃之敵，楊軍正由伍公市、新市方向渡江，各部猛追尾敵。傅軍梁、高兩師正協同肅清新市、歸義、河夾馬塘、營田一帶殘敵，蕭軍已越高橋向長樂街……
薛嶽10月7日發往重慶的電報：
敗退之敵已過汨羅江，經新牆河向臨嶽潰退中。
薛嶽10月9日發往重慶的電報：
敗退之敵已潰渡新牆河。齊辰我第七十二軍向忠坊、第五十八軍向桃林、第四軍向西塘、第二十軍向筻口、新牆河北繼續猛追，各軍除以一部圍攻據點之敵外，主力正向嶽臨東南地區挺進攻擊中。
實際的情況是，在10月2日，王耀武軍沿瀏陽河兩岸，蕭之楚軍沿撈刀河兩岸，分別清掃戰場，卻沒有遭遇日軍。王耀武軍開到醴陵集結整補，蕭之楚軍開到長樂街停下來就地整補。
楊森做得非常積極，把所屬的幾個軍全部派出去追擊日軍。歐震軍追擊青木師團，但沒有捕捉到日軍部隊。歐震軍向汨水以北追了三天，追到昌水，還是沒有看見日軍的影子。歐震推測日軍已經回到會戰前的位置，不敢貿然追下去，便停止了追擊。
從福臨鋪截擊日軍的楊漢域軍比較幸運，雖然沒有捕捉到神田師團，卻撿了一大堆日軍在匆忙中扔下的物質。不過他們畢竟還是看見了日軍，隻是沒來得及交手，日軍就退守原陣地了。
日軍的確跑得很快。孫渡軍在關王橋一帶截住了兩千多名日軍，但還沒有來得及動武，日軍就跑掉了。孫渡軍追到桃林，見日軍縮回了會戰前的老窩，便也作罷。
在追擊中真正起了作用的是來自第六戰區的夏楚中第七十九軍，以及會戰中一直沒打大仗的傅仲芳第九十九軍。
夏楚中軍設下埋伏，伏擊日軍早淵支隊。由於早淵支隊疲勞得不堪一擊，夏楚中軍將其消滅了一大半，還擊斃了兩名大隊長。