薛嶽這一次的兵力部署，和上一次相比，基本上變化不大：
江西北部仍為羅卓英第十九集團軍；
江西中部高安方向為王陵基第三十集團軍；
湖北南部和平江方麵仍為楊森第二十七集團軍一部；
湖南北部為楊森集團軍主力楊漢域第二十軍，守備新牆河一線；
陳沛第三十七軍防守汨羅江一線，傅仲芳第九十九軍防守湘江一線；李玉堂第十軍守長沙。其餘機動部隊位於長沙附近。
第九戰區的作戰方針確定之後，太平洋戰爭爆發了。這向薛嶽說明了兩件事：第一，他對日本人的戰爭狂熱和稱霸世界的野心實在是低估了；第二，蔣委員長的預計是對的，他實在不必為本戰區兵力不足而發愁。
不過，薛嶽並沒有因此而放鬆警惕。盡管日軍不會以他所估算的那麼強大的兵力向第九戰區進攻，但阿南第十一軍以有限的兵力再度在湖南北部燃起戰火，仍然是很有可能的。
於是，薛嶽和蔣介石一樣，睜大著雙眼密切注視日軍的動向。
薛嶽發現，12月16日以後，武漢地區的日軍，正在逐步抽調湖北南部、北部和西部地區的兵力，向臨湘、嶽陽一帶集結；獨立混成第九旅團正向湖南北部開進；南昌方麵的青木師團也在向安義移動。
12月18日，中國優秀的諜報人員偵悉日本的中國派遣軍總司令部批準了阿南第十一軍的湘北作戰計劃，並從華北調來了一個獨立混成旅團。12月20日，軍委會電令第六戰區彭位仁第七十三軍由澧縣立即開向寧鄉、益陽集結待命，限於25日到達；軍委會直轄的夏楚中第七十九軍由衡陽立即鐵運到淥口、株洲集結，歸第九戰區指揮。接著又命令歐震第四軍由廣東曲江鐵運株洲淥口集結，王耀武第七十四軍由廣西宜山調駐衡陽，增援第九戰區作戰。由此可見，盡管日軍進攻湖南北部的兵力有限，擔心第九戰區兵力不足的不僅有薛嶽，還有最高統帥蔣介石。
這樣，軍委會一下子給第九戰區增加了十二個師，加上原第七 戰區的鄒洪暫編第二軍，第九戰區共有兵力三十七個師。
薛嶽此時不敢有絲毫鬆懈，軍事委員會向第九戰區增兵的命 令剛於20日下達，他就於當天晚上7點向各部下達戰鬥命令：
戰區以在瀏陽河、撈刀河間地區殲滅日軍為目的，限各軍按命令行動。
戰區副司令長官兼第十九集團軍總司令羅卓英，率指揮所於21 日早晨由上高進駐瀏陽，指揮第二十六、第七十九軍和第一九四師，準備由南向北反擊；
戰區副司令長官兼第三十集團軍總司令王陵基，率戰鬥指揮所於21日早晨由修水進駐平江；指揮第七十八軍和新編第十五師，準備由東北向西南側擊；
戰區副司令長官兼第二十七集團軍總司令楊森，指揮第五十八軍、第二十軍，第一步於新牆河、南江橋、汨羅江前進陣地逐次抵抗，第二步待命轉移至關王橋、三江口側麵陣地，準備由東北向西南側擊堵擊；
第三十七軍在汨羅江南岸抵抗，準備由東北向西南攻擊；第九十九軍確保三姊橋至湘陰一線，準備由西北向東南攻擊；第十軍守備長沙，日軍包圍進攻長沙時，由第十軍堅決守住；這三個軍由戰區直接指揮；這時外翼部隊則向長沙發起“求心攻擊”，將包圍長沙之敵從外麵再包圍起來，聚而殲之。
第十九集團軍贛北方麵警備，由羅卓英分令高蔭槐、劉膺古兩位副總司令負責指揮；第三十集團軍警備，由第七十二軍軍長率第三十四師負責。
同時，薛嶽宣布：大戰將近，第十軍新任軍長鍾彬尚未到職，該軍仍由在10月南嶽軍事會議上宣布撤職的原軍長李玉堂指揮。與李獄堂一同撤職的該軍預備第十師師長方先覺，也仍負責該師此次作戰。對兩人的處分待戰後再議。
這一次，薛嶽的“天爐戰法”已經森嚴壁壘，等待著他的對手來鑽天羅地網。
第十軍打算死守長沙，要回他們的軍長。
薛嶽的作戰命令下達後，第十軍軍長李玉堂既驚詫又感動。
李玉堂從1924年投身軍伍，十七年的戎馬生涯，完全是靠著勇猛頑強，憑著戰功，從排長做起，一個階梯一串腳印地升到軍長的職位。人們把他列為軍中的“山東李氏三傑”，他心中不無驕傲，因為這是他在戰火中拚出來的名望。
他沒有想到，不久前的第二次長沙會戰中，他竟栽了個大跟頭。上級責備他“作戰不力”，撤消了他的職務。李玉堂在職業軍人的生涯中，第一次蒙受了奇恥大辱。
然而，正當他不知如何走出目前的困境時，事情又出現了轉折。他的長官薛嶽，對他這個戴罪之人優厚有加，不僅報請軍事委員會同意，暫時讓他留在了第十軍軍長的職位上，還將“天爐戰法”中最關鍵的守衛長沙的重任交給他。李玉堂在驚詫之餘，自然對薛嶽感激涕零。
薛嶽對他的這點好處，令他刻骨銘心。應該說，薛嶽的這次提攜，改寫了他的命運，使他保持了視之為生命的榮譽。在這個緊要關頭，要不是薛嶽拉他一把，給他戴罪立功的機會，那麼，在國民黨軍隊的史冊上，就會把他李玉堂記載為一名貪生怕死、指揮無能、作戰不力的將領。
不過，李玉堂是個錚錚漢子，不會把感激之情放在嘴上。盡管他在接受任務後激動得徹夜失眠，但在薛嶽找他談話時，他還挺嘴硬地說：“我都被撤職了，怎麼指揮打仗？”
薛嶽也不跟他計較，反而好言相勸：“讓你指揮你就指揮嘛，仗打好了，我保你官複原職，還另外加賞。”
李玉堂回到部隊，在一個晴朗的日子裏，召開全軍排長以上軍官大會。他自己親自擔任值星官，指揮調度全體軍官集合。
軍官們不知軍長為什麼要這麼做。自從第二次長沙會戰結束，上級指責第十軍作戰不力，軍長受了處分之後，第十軍的官兵們都有一股隱而未發的情緒。他們心有不甘，都想來日奮力一戰，挽回失去的光榮。現在發現軍長沒有離去，還在召開大會，他們隱隱感覺到，事情似乎有了一點轉機。
李玉堂內心十分激動，以至於全體軍官都默默地注視著他的時候，他半晌也說不出一句話來。等到情緒稍稍平複之後，他用洪亮而略帶顫抖的山東口音開始說道：
“弟兄們：我李玉堂無能，讓你們隨著我蒙受如此奇恥，讓我們英勇的第十軍榮譽受到侵害，我對不起各位弟兄，更對不起以生命和鮮血護衛了我們的軍旗的殉國弟兄們!”
李玉堂頓了頓，想到這次領受的使命使全軍有了洗刷恥辱的機會，對薛嶽的感激之情從心底油然而生，於是他直接講到了主題：
“弟兄們！軍人效命在沙場，軍人的一切榮譽恥辱也都在戰場。現在，薛長官把最艱巨的任務——防守長沙，交給了我們軍，薛長官不因我們的過失歧視我們，這是長官對我們的信任，我們隻有以全體將士的生命來回報!”
接著，他原原本本地向全體軍官傳達了薛嶽的命令。
在軍隊裏，曆來有兩根紐帶維係著全體人員的感情，一條是同鄉、同學的情誼，另一條則是多年因襲下來的部屬關係。而且後者比前者更穩固更強烈。誰曾是某某的下級，多年緊隨，上級得道，下級也因運而升遷。在每個人占據的現有地位向上觀望，預計自己可能的前途時，無不將與現在上司的關係考慮在內。
從師到團營連，一級一級下來，在過去的日子裏每個人都已懷了希望，而現在，因軍長的更換，一切又將變成未知之數，這是第十軍各級對李玉堂的留戀。
況且，一身正氣、善於體恤部屬的李玉堂，給全體官兵留下的印象是深刻的，軍官和士兵中以他為偶像的也大有人在。
因此，李玉堂一番慷慨激昂的話音剛落，他所預期的效果就達到了。
最先衝上台的，是第三師師長周慶祥。
周慶祥，山東夏津人，畢業於黃埔軍校第四期，原任副師長，一年前剛由李玉堂提升為師長，是一個文武雙全的機智人物。
周慶祥憋紅著臉，激動地說：“兄弟們，軍長待我們一直不薄，我們泰山軍的榮譽也因他而得來。我們要以我們的出色戰鬥，要回軍長來!”
“對，要回軍長來！”不善言辭的第一九零師師長朱嶽也衝上台來大叫。
“要回軍長來!要回軍長來……”
立即，整個會場沸騰起來，要回軍長的呼喊聲此起彼落。
李玉堂眼睛有些濕潤地旋轉身子，朝四周行了個標準的軍禮。
與他同時被撤職的預備第十師師長方先覺也緊隨他之後，向全體官兵敬禮。
第十軍官兵因此統一了軍心，他們以背水一戰的哀兵戰術迎接著將要來臨的戰鬥。應該說，薛嶽第九戰區的所有部隊，都是一支哀兵。薛嶽將指揮這支哀兵，在打了敗仗僅兩個多月後，再次迎戰敵手。他將這支哀兵中最哀的、唯一被撤掉軍長和一個師長的軍，擺在這次戰役中最難、最險、付出犧牲也必然最大的地方。李玉堂如法炮製，將日軍攻城的首選方向——城南，交給在上一仗中打得最糟的預備第十師。
首先，第十軍的將士們，認真地做好了守城的準備。
在長沙的街頭巷尾，到處可以見到第十軍的官兵們在修築工事。槍支整齊地架在一起，子彈袋、軍上衣、水壺堆放在槍支旁。冬季的寒風中，士兵們刨開馬路路麵，砌進一塊塊大石頭，紮上鋼筋，灌入水泥，一個地堡的形狀出現了，一個個地堡、掩體、戰壕群落出現了。
市民和學生也加入了施工的行列，老人和孩子端著熱水請士兵們趁熱喝幾口。
有的軍人說：“快疏散出城吧，鬼子兵就要來了。”
百姓回答說：“有你們在，我們不怕！”
李玉堂每天泡在陣地上，檢查質量，催促進度。
第二次長沙會戰後，李玉堂被撤職，還算是幸運的，搞不好就會丟腦袋。1927年蔣介石曾槍斃過一名第十軍的軍長，名叫王天培。這回又槍斃了第七十四軍的師長廖齡奇。想到他們的結局，李玉堂真是不寒而栗。他知道蔣介石對他已失去好感，如今又要他上戰場，他再也經不起戰場上的任何失利。因此，他這次接受守城任務後，便絲毫也不敢怠慢，一上任便發揮他這個工業學校畢業生的特長，集中精力親自督促各團、營、連、排，狠抓城防工事的構築。
他以八角亭為中心，環繞整個長沙城，精心構築了三道防線。第一道防線從長沙北門外毗鄰湘江的麻園嶺開始，經宋家花園、杜家嶺、二裏牌、金盆嶺、黃土嶺、妙高峰，到瀕臨湘江的猴子石，構成一道環繞長沙的弧形的“鐵壁銅牆”。這是長沙城防的最外層。
第二道防線設在中山路以北、小吳門以東、南門以南，借助長沙的舊城，形成了一道比第一線更堅牢的、完全由鋼鐵與水泥構成的森嚴的壁壘。
第三道防線則為八角亭、天心閣、南正街構成的三角核心。這裏重兵雲集，崗堡如林，堅不可摧，乃是最後死守與全軍共存亡的陣地。
三道防線都由明堡、暗堡、鐵絲網、拒馬、街壘和路障等組成，並由精心安排的射擊點組成綿密的火力交叉網，封鎖住長沙東、南、北三麵各處的交通道口。
在兵力的安排上，他也做了精心的部署。
軍指揮所設在南門外湘江邊上的靈官渡，緊靠前線，顯示了他與全軍將士共艱危同生死的決心和不怕戰死的勇氣。
周慶祥的第三師將指揮部設在天心閣上，居高臨下，照應全城，同時兼顧城東防務，其第七團負責守衛瀏陽門以南防線；第八團負責守衛瀏陽門以北防線；第九團協助預備第十師駐守妙高峰、老龍街、嚴家嶺一線，暫歸預備第十師指揮。
方先覺的預備第十師將指揮部設在南正街，負責瀏陽門以南的防務，其第二十八團駐守南門外鐵路以東小跳馬澗一線陣地；第二十九團駐守南門外鐵路以東冬瓜山一線陣地；第三十團駐守南門外鐵路以東的黃土嶺、烏神嶺、太乙寺、紅豆嘴、周家衝一線陣地。
朱嶽的第一九零師將指揮所設在經武門內，負責瀏陽門以南防務，其第五六八團駐守湘雅醫院至鐵路以東沿線陣地；其第五六九團駐守湘雅醫院至湘江岸邊一線陣地；其第五七零團駐守城北鐵路以東杜家山、陳家山一線陣地。
長沙保衛戰是在1942年元旦淩晨打響的。在此之前，李玉堂下令，除留下一兩隻機動小艇供聯絡用外，湘江河內的一切軍用民用船隻，全部都撤往水陸洲和湘江西岸，以表示破釜沉舟、背水死戰，與長沙共存亡的決心。
楊漢域勉為其難，在新牆河一線堅守十天。
第三次長沙會戰，又是在新牆河打響的。
新牆河本來藉藉無名，水淺河窄，卻因抗日狼煙迭起，在抗戰歲月中變得家喻戶曉，經常在軍人嘴裏和新聞報道中冒出它的名字。
前兩次長沙會戰，日軍都是強渡新牆河進攻，又從這裏退回占領區。第一次長沙會戰，日軍挾三路之兵，張耀明率第五十二軍在這裏阻擊日軍，打得十分頑強。第二次長沙會戰，日軍換用兩臂合抱之勢，歐震的第四軍在這裏防禦，打得十分慘烈，為後續部隊調上來贏得了時間。
這一次，守衛新牆河一線的是楊漢域的第二十軍。
楊漢域、字繼超，四川廣安人，畢業於雲南講武堂，一直在川軍中任職，於1938年擔任第二十軍軍長。
他的這個第二十軍，隻有兩個師編製，武器裝備和兵員素質都不能與張耀明第五十二軍和北伐時著名的“鐵軍”第四軍相比。但是，他們的任務卻十分艱巨。薛嶽要求楊漢域軍在新牆河防線堅守十天，才能轉移陣地。
從日軍在河北岸集結的大量兵力來看，楊漢域知道，憑自己手下兩個師的兵力，要堅持十天時間不大可能。他是楊森的侄兒，在楊森跟前說話沒有顧忌。他說：“叫我在第一線堅守十天，還不如直接把二十軍拉去攻打武漢，還能立大功。”但牢騷歸牢騷，命令還是得執行。他是明知不可為而要為之，但求心中無愧，傾盡全力去做了。
他把希望寄托於跟隨他多年的第一三三師師長夏炯和第一三四師師長楊幹才。
他和兩位師長一起，詳細研究逐次抵抗的辦法。他對夏炯和楊幹才求全責備。他要求在以半永久工事和野戰工事組成的三線網狀陣地內，要以據點工事為骨幹，同時加強野戰工事的縱深配備。部隊占領陣地時，要同時占領據點工事和野戰工事。在使用兵力時，各師應以一部兵力分置於連排據點，盡力死守；另以一部占領野戰工事，利用陣地縱深逐步抵抗；將主力放在最後一線陣地，機動使用。作戰時，如果日軍攻擊野戰工事前方據點的守軍，則占領野戰工事的部隊，應立即以火力支援，或適時派部隊反擊；如果日軍攻擊野戰工事的守軍，據點裏的守軍應立即以火力向日軍射擊，或者離開據點尾擊日軍。這時候，各師主力應乘日軍混亂之際，不失時機地反擊日軍，消耗日軍。經過這樣逐步抵抗，到最後一線預備陣地給日軍以重大殺傷後，再向側麵陣地轉移，向日軍側擊尾擊。
早在12月18日，新牆河一線的前哨戰就已經開始。小股日軍向岸北前進陣地的中國守軍發起試探性攻擊，一直持續到22日。
23日，日軍青木成一第四十師團正式拉開第三次長沙會戰的戰幕。這一天，天氣突變。從20日以來淅淅瀝瀝下起的小雨，到這一天變成了雨中夾雪，氣溫驟然降到零度以下。
湖南北部地處東經28度到30度、北緯111度到114度之間，在12月份，天氣晴朗幹燥。進入冬季之後，河水幹涸。日軍青木師團集結於新牆河上遊的油港以北。這裏水深僅三十厘米，徒涉是輕而易舉的，為日軍進攻提供了方便。但在雨雪的天氣裏，本可徒涉的河流，道路變得泥濘難行。而且天空陰沉沉的，雲遮霧罩，日軍無法發揮空中的優勢。
23日淩晨5點，天還沒有放亮，日軍青木師團向對麵的中國守軍楊幹才師陣地分三處渡河，發起攻擊，經過一小時激戰，雪花漫天飛舞，大地一片蒼茫。在這種湖南少見的惡劣天氣裏，攻防雙方一直戰到天黑，青木師團未能突破楊幹才師的陣地。
前麵說過，日軍的總攻擊原訂於25日發動。但是，由於日本第二十三軍進攻香港的作戰進展順利，促使阿南惟畿改變了主意。
阿南在積極組織湘北作戰的同時，一直注視著日軍在香港方麵的戰況。畢竟，日軍發動湘北作戰的理由，是為了策應第二十三軍對香港的占領，這是一盤棋相關的兩個戰局。
24日中午，阿南惟畿接到大本營的電報，得知香港指日可破。對於日軍而言，這是個大大的喜訊，卻使阿南莫名其妙地煩躁起來。他原定明天向湖南北部發起總攻，各部隊基本準備就緒，但如果日軍攻占了香港，他在湖南的作戰就失去了緊迫的意義。他擔心大本營會臨時突然要求他取消這次攻擊行動。
湘北作戰到了即將開戰的時刻，阿南是無論如何不願放棄這次作戰的。自從東條英機上台以來，日軍在太平洋上頻頻得手，現在香港也馬上就要攻下來了。日軍的將領們，無不渴望在軍人內閣掌權時大顯身手，建功立業，阿南絕對不想讓第十一軍落於人後，碌碌無為。
箭在弦上，不得不發！阿南叫木下勇發布命令：第四十師團一部立即向新牆河中國軍隊陣地發起攻擊，各師團主力提前在今日晚上9點鍾發起總攻擊。
木下勇說，有的部隊作戰準備尚未就緒。阿南現在已經顧不得這些，要木下勇催促他們抓緊在總攻之前做好準備。於是，日軍各部隊接到新的命令，沒有準備好的部隊隻得倉促上陣。
這天中午11點，按照阿南的命令，日軍向楊幹才師陣地全麵發起攻勢。四千多名日軍猛攻楊幹才師第四百團，遇到頑強的抵抗。雙方在惡劣的天氣中激戰四個多小時，日軍突破了守軍第一線陣地。
楊幹才命令全師撤到第二線陣地，構成防線繼續抵抗。
楊森在前方指揮所中看到日軍大規模的全麵進攻已經開始，命令孫渡第五十八軍新編第十一師開到楊林街附近，協助楊漢域軍作戰。
這一天傍晚，日軍神田第六師團見青木師團攻擊有所進展，也乘著大雨和夜色，提前向正麵的夏炯師陣地發動進攻，從新牆附近強渡新牆河。
到午夜12點，日軍在總攻擊開始三個小時以後，就全部占領了新牆河南岸守軍的第一線據點陣地。
豐島房太郎的第三師團緊隨神田師團之後，徒涉新牆河。
25日，日軍的三個師團分成東、中、西三路，齊頭並進，向南邊進攻。
東路日軍青木師團，動用四千多人的兵力，繼續進攻楊幹才師的第二線陣地。中路日軍神田師團，在飛機掩護下撲向楊幹才師陣地。西路日軍神田師團一個聯隊約四千餘人，沿粵漢路兩側南進，攻擊夏炯師第三九九團的各據點陣地。