第三次長沙會戰關係國家存亡、國際局勢之巨。本會戰職有必死決心，必勝信心。為捕拿戰機，殲滅敵人，獲得偉大戰果計，經規定下列三事，分電各部遵辦：
(1)各集團軍總司令、軍長、師長務確實掌握部隊，親往前線指揮，俾能適時捕拿戰機，殲滅敵人。
(2)職如戰死，即以羅副長官代行職務，按之計劃圍殲敵人，總司令、軍、師、團、營、連長如戰死，即以副主官或次級資深主官代行職務。
(3)各總司令、軍、師、團、營、連長倘有作戰不力，貽誤戰機者，即按革命軍人連坐法議處，決不姑寬。
他在將這份電令發往各部的同時，也將電文發給了蔣介石，讓委員長了解他打好這一仗的決心。他很快就接到蔣介石的複電：
兄能具此決心，督勵所部，良堪欣慰。當此友邦並肩作戰之際，甚盼此次會戰能獲得決定之勝利，以為我國革命軍人爭得無上之光榮也。
現在，薛嶽已經做好了各項部署，也嚴格規定了戰場的紀律。他心裏隻牽掛著一件事情，那就是李玉堂能不能守住長沙城。
李玉堂沒有辜負薛嶽對他的希望。
不過，長沙並不好守。
長沙座落在湘江的東岸，城市沿江呈長方形展開，瀏陽河在城東和城北流入湘江，鐵路在城東平行通過，城東南及湘江西岸都是山地。
抗戰以來，長沙守軍從1939年就開始修築防禦工事，但從來沒有構成有體係的工事。這是因為，長沙城在1938年的那場大火中變成了廢墟，修築工事時缺少了很多憑依。而且，在前兩次長沙會戰中，長沙城沒有發生激烈的攻防戰，長沙的防務一直無關緊要。
但這次不同了，李玉堂已經命令全軍傾力構築了防務體係。
薛嶽兼任著湖南省的主席，他指示長沙地區的黨政機關，發動民眾，協助構築工事，為固守長沙出力，得到長沙市民的響應。
民眾踴躍捐獻建築材料，大力協助軍隊施工。
12月30日晚上，《中央日報》記者得知第十軍要求長沙西岸的長樂、含浦、望嶽和美同四鄉農民勞軍，他親眼目睹四鄉農民很快就送來了一千隻雞和一萬斤肉。
記者為民眾的抗日熱情所感動，激動地寫道：
這許多食品，就是在重慶，也許還不能在一天內供應市麵，而長沙四鄉彈丸之地，竟能於頃刻間募齊，這是不是奇跡!
長沙百姓的熱情，也深深打動了李玉堂。他把全部精力傾注於修築工事。他沒有呆在靈官渡的軍指揮所裏，而是成天在陣地上轉。隨著日軍開始逼近長沙，他更加緊檢查和修正地堡射擊孔的方向，規定火力網的編成。
李玉堂的督察，使各級軍官都不敢怠慢，抓緊完善工事的修築。到了日軍突破汨羅江防線向長沙集結的時候，長沙的防務已經得到大大的增強。
在湘江西岸，薛嶽身處山高二百九十七米的嶽麓山，登上長沙城外的最高點，了望一江之隔的長沙城。他把戰區直屬獨立炮兵旅布防在這裏，可以對長沙城區的守軍提供強大的火力支援。同時，他命令李玉堂將一小部分兵力部署在湘江西岸和嶽麓山，保衛炮兵陣地。
長沙市區的製高點，是東南角上的天心閣。天心閣城樓，是貼近市區的一道屏障。據說太平天國攻打長沙時，西王蕭朝貴就是在搶奪天心閣的戰鬥中，被清軍的炮火擊斃的。
天心閣的地勢如此有利，如果日軍占領了此地，守住長沙城區就很困難了。因此，薛嶽命令李玉堂軍以主力守備在長沙市區和郊區，重點放在天心閣附近。
除了戰區部署在嶽麓山的獨立炮兵旅以外，第十軍還有兩個炮兵團。薛嶽對於這兩個炮兵團的使用，也做出了具體的規劃。他要求李玉堂先將一部分炮兵部署在第一線陣地後方，為警戒部隊和第一線守備部隊提供火力支援。這個任務完成以後，兩個炮兵團全部撤到嶽麓山，加強西岸製高點的炮兵火力，必要時可以對天心閣方麵和長沙東南地區的日軍，進行毀滅性的打擊。後來的實戰說明，薛嶽如此使用炮兵，是完全正確的。
為了其他兵種能有效地配合步兵作戰，薛嶽將駐紮在長沙的炮兵和步兵全部撥歸李玉堂指揮。
薛嶽的這番調度，為李玉堂軍守城提供了許多方便。李玉堂自然領會了司令長官的這番苦心，更加堅定了守城的決心。
炮火吞噬了日軍，也吞噬了第二營殘餘的官兵們。
1942年元旦的清晨，長沙地區天空晴朗。從長沙東南磨盤洲強渡了瀏陽河的日軍豐島師團兩萬多名官兵，迎著新年第一輪朝陽，遙望東方，向他們的天皇舉行遙拜的儀式。
這些驕傲的日本官兵，最近聽到了太多日軍獲勝的消息，受到了極大的鼓舞，做夢也沒有想到，他們將在進攻長沙這座城市的時候，遭到毀滅性的打擊。
一個月來，日軍偷襲珍珠港，攻占馬來亞和菲律賓，連連得手，現在又剛剛占領了香港。日軍在南邊取得的成功，使越過了中國守軍湘北兩道防線的第十一軍各部，以為自己也會打一個大勝仗。
阿南惟畿的信心，同樣植根於他手下的官兵們。這支來自東瀛小國的軍隊，患上了集體的自大狂，根本沒有把一座小小的長沙城放在眼裏。
豐島房太郎抽出軍刀，高高舉過頭頂，全師團官兵立即仿效，將手中的武器高舉。
遙拜完畢，安靜莊嚴的隊伍喧騰起來。官兵們互致新年的問候。 豐島房太郎把手一揮，大聲吼道：“今晚在長沙城內慶祝元旦！”
野戰炮兵第三聯隊長宮永蓋世大佐，身穿嶄新的將校呢軍服，領章和肩章上的紅色與黃色鮮豔刺眼。他手拿兩隻軍用水壺，找到步兵第十八聯隊長石井信大佐，正好看見石井信把自己水壺中的酒倒在兩隻軍用銅製飯碗中。兩人見彼此的想法不謀而合，便哈哈大笑，舉起酒碗。今天他們的部隊將共同配合作戰。宮永蓋世說：“老同學，祝你馬到成功!”
說罷把酒一飲而盡。
石井信說道：“祝炮兵發發命中!”然後一仰脖子，把酒飲幹。
他們相約，打進長沙城後，晚上再豪飲敘懷。
豐島房太郎走到師團直屬部隊的官兵中間，向大家祝賀新年。他找到了從第六聯隊調來的第二大隊大隊長加藤素一少佐，和他寒暄幾句。加藤的心情有些鬱悶，因為豐島將他的大隊當作機動部隊使用，不讓他馬上投入戰鬥。豐島拍拍他的肩膀說：“我會給你機會，讓你獲得最大的戰功！”加藤和他的士兵們歡呼起來。加藤大隊是豐島手中的一張王牌，素以攻擊勇猛、擅長夜戰而聞名。
豐島房太郎把師團指揮所設置在位於東山鎮以西的李家衝山地。從早晨8點開始，日軍在炮兵和航空兵的協同配合下，對駐守長沙城東南外圍的方先覺預備第十師陣地發起攻擊。的野聯隊撲向金盆嶺，石野聯隊撲向猴子石，企圖強占各個高地。守軍張越群第二十九團居高臨下，用機槍和步槍猛烈射擊，然後投擲手榴彈，進攻的日軍紛紛倒地。
日軍的後續部隊向潮水一般湧上來。守軍與日軍拚刺刀，進行慘烈的肉搏。日軍預期一天內就可以占領長沙，沒想到在守軍第一線陣地就遇到頑強的抵抗。張越群團血戰到上午十點來鍾，由於陣地正麵寬達七八公裏，配備兵力單薄，傷亡過重，陣地被日軍突破。日軍也付出了六七百人的代價。
日軍突破第一道防線後，乘勢向守軍第二道防線進攻。葛先才第二十八團在這裏阻擊日軍。他們用迫擊炮、機槍和步槍猛烈地向日軍射擊。葛先才團是方先覺師戰鬥力最強的一個團，葛先才的勇敢善戰，是全軍公認的。他的指揮所設在全線最要衝的修械廠背後，以此表示堅守陣地的決心。
日軍在守軍第一線受到阻擊，銳氣大減，現在又遭到葛先才團的猛烈打擊，失去了進攻的力量，不得不暫停攻擊。
在日軍進攻葛先才團陣地時，張越群和師政治部派出聯絡的科員馬有成來到師部。師政治部代主任楊正華見張越群臉上有些惶惶之色，就單獨去見方先覺，說：“敵人來得太快太猛，張團很難頂住。”
方先覺長籲一口氣說：“是啊，現在張團電話中斷。”
楊正華見方先覺有體諒張越群的意思，便直言相告：“張團陣地已被敵人突破，張團長已來師部，他表示未能完成任務，對不起師長，聽候處分。”
方先覺說：“叫他在副官處休息，等我有空時，喊來見我！”他接過電話向葛先才喊道：“藝圃！現在看你的了。張團陣地已被突破，你馬上派人收容整理，歸你指揮。任務大呀！我全力支持你，你要頂住！”
葛先才在電話裏回答道：“師長盡管放心！我有信心，不會在薛長官麵前丟臉！”
中午，日軍補充了兵力，又發起了攻勢。豐島房太郎已經將突破守軍第一線的情況報告給第十一軍指揮部。參謀長木下勇聽到報告後，帶領四名隨軍記者，乘飛機到長沙上空視察。飛機在長沙上空低飛盤旋著。木下勇以軍人自信的聲音，壓過嗡嗡作響的馬達轟鳴聲，對記者們說道：
“諸位，我大日本皇軍在天皇佑護下，所向披靡。今天，我第十一軍將士將攻克長沙城，向天皇陛下奉獻新年禮物!”
飛機在長沙東南郊區豐島師團攻擊線上低飛，地麵的日軍揮手向飛機致意。一名記者抓拍下了這個鏡頭。木下勇命令飛行員向地麵日軍投放賀年書和本土慰問前線的信件，飛機盤旋幾圈後飛回嶽陽。
木下勇回到嶽陽指揮所，立即向南京的中國派遣軍總司令部和日本大本營發報：
進攻長沙作戰順利，先頭部隊已攻至城下，預計2日即可取得作戰勝利。
可惜木下勇的判斷結論下得過早。實際上，就在他所乘坐的飛機飛離戰場上空時，戰局已有了變化。
日軍的野聯隊派出鬼頭三良第一大隊在右，橫田莊三郎第二大隊在左，經雨花亭攻向南門及江岸。
下午1點半，橫田大隊占領了雨花亭，但到了沙湖橋一帶，便被方先覺師阻擊不能前進。
與此同時，右方的日軍石川信聯隊，也因方先覺師的奮勇抵抗而無法前進。
下午5點，日軍再以炮火和飛機掩護向方先覺師左側陣地左家塘猛撲，堅守陣地的張越群團曹建生營長率部拚死抵抗，最後全營陣亡，日軍突破陣地。
下午6點，一千多名日軍從方先覺師與朱嶽第一九零師的結合部攻擊穿過，繞向方先覺師左側後陣地，企圖包抄。方先覺及時判明日軍企圖，立即命令放棄左側，將第一線陣地縮短，轉而據守金盆嶺、黃土嶺一線陣地。
豐島房太郎在白天將六個大隊中的四個大隊投入到進攻之中，現在看到攻擊受阻，心急如焚。
他當然知道遠在嶽陽指揮所的阿南惟畿迫切想看到占領長沙 的結果，他以軍人的敏銳，更預感到如不能很快攻破城池，恐將陷入重兵包圍的厄運。
他手中還留有加藤大隊這張王牌。他原本想把這個大隊留待攻堅的關鍵時刻使用。現在看來，不得不使用了。
晚上9點，日軍再度發起攻勢，豐島房太郎除令各部繼續攻擊外，又派一支部隊鑽隙突入周慶祥第三師警戒陣地白沙嶺民房內，企圖由此進攻天心閣，奪取長沙城的製高點。
頓時，長沙的東門、南門外炮火連天，殺聲四起。方先覺師和周慶祥師頑強地阻擊豐島師團的進攻。
李玉堂在審視著戰場的形勢，晚上10點，他命令朱嶽師派兵克複左家塘據點，同時增兵圍攻白沙嶺民房的日軍，解除天心閣的危機。
朱嶽親自率兵奪回左家塘，但白沙嶺民房內的日軍利用房屋頑抗著。
當晚，薛嶽直接把電話打到方先覺這裏，問道：“你的陣地能守多久？”
方先覺立正回答：“報告長官，能守一星期。”
薛嶽回答一聲“好”，便放下了電話。
深夜，楊正華和副官張廣寬在副師長孫明瑾房裏烤火，忽然聽見隔壁房間方先覺召喚張廣寬。方先覺對他說：“這封信，你馬上派人送到後方我家眷那裏，在明天以前一定要送到。”
張廣寬把信拿出來時，楊正華拆開閱讀，原來是方先覺寫下的遺囑。內容如下：
蘊華吾妻：我軍此次奉命固守長沙，任務重大，長沙得失，有關抗戰全局成敗。我身為軍人，守土有責，設若戰死，你和五子的生活，政府自有照顧。務望五子皆能大學畢業，好好做人，繼我遺誌，報效黨國，則我含笑九泉矣！希吾妻勿悲。夫子珊。
楊正華看過以後，決定發表這份遺囑，以激勵士氣。他馬上擬好了新聞稿，交給馬有成，叫他連夜過江送給《長沙日報》。第二天，《長沙日報》在頭版以大字標題刊出了這份遺囑：《方師長誓死守土，預立遺囑》。
當晚11點，日本第十一軍特情班的情報參謀們，在苦思若幹天以後，終於將第九戰區在這次會戰中使用的電台密碼破譯出來。他們破譯的第一份電報，就是薛嶽在昨天要求各集團軍向長沙附近運動的命令。
阿南接過這份電文一看，一長串的部隊番號令他大吃一驚。看起來，二見秋三等人的意見，不是沒有道理的。一部分中國軍隊去向不明，現在已經知道他們在幹什麼了。然而，阿南現在明白了這一點，似乎為時已晚。第十一軍的主力部隊，已經集結在長沙城外，真所謂“開弓沒有回頭箭了”。他隻有嚴令部隊，早日攻克長沙，結束作戰。如果再拖下去，被中國軍隊內外夾攻，後果不堪設想。
零點，阿南給豐島發去急電，要求他加緊進攻，搶在中國軍隊實施外翼包圍前解決戰鬥。阿南同時命令神田師團加強對長沙東部山區和瀏陽方向的警戒，掩護豐島師團後方。
零點10分，日軍再次圍攻左家塘陣地，守軍激烈抵抗，雙方爭奪多次，一直打到淩晨5點，左家塘據點仍然在中國軍隊手裏。
豐島接到阿南的命令後，立即將機動部隊加藤大隊投入戰鬥。但是，加藤大隊辜負了豐島的期待，在兩個小時內就被中國軍隊殲滅。日軍戰史描述了這個過程：
加藤大隊長帶領副官等三人，穿過城外的房屋，越過敵兵營，前進到敵軍的步哨線，被隱蔽在房屋下的敵人射來的子彈打穿腹部，時間是2日2時左右。但該少佐仍然揮刀與敵人搏鬥，接著副官橋本光義中尉、川口定秀軍曹相繼戰死；池山兵長衝出一條血路，摸索著回到本部告急。
士兵們在“救出大隊長”的呼喊下反複進行了幾次必死衝鋒，但均未見效，反而使那些房屋燃起熊熊烈火。得到池山的報告，參謀長指示說：這可太嚴重啦，大隊要全力以赴奪回大隊長。
從這天夜間直到4日反轉為止，雖反複進行搜索和多回攻擊，但終未發現大隊長等人蹤跡，因此認定已經戰死，遂決定返回。
李玉堂軍的士兵卻在一堵倒塌的土牆之下，找到了加藤的屍體。由於土牆的保護，他的身體完好無損，露在土牆之外的左腳，皮靴被火燒得焦糊。
子彈擊穿了加藤的小腹，鮮血染紅了軍服。中國的士兵們估計，這個日軍少佐是在大火之前中彈死亡的，日軍保住長官的全屍，將他埋在土牆之下。
士兵們搜查加藤的公文皮包，發現了一疊文件。守軍官兵們意識到這些文件的重要，便層層上交，最後送到了薛嶽的案頭。文件翻譯出來後，薛嶽得知上麵寫著日軍各師團現在所在的位置和擔負的任務，以及日軍因道路被破壞，運輸中斷，部隊的彈藥已經大量消耗，嚴重缺乏。薛嶽大喜，拍著桌子喊道：“一紙雖薄，勝過萬挺機關槍！”
他立即將日軍的方位和所處的困境通報給各部隊，命令各集團軍加緊實施預定計劃，快速向長沙外圍合攏，實行“求心攻擊”，達到圍殲日軍的目的。
1月2日，方先覺繼續指揮部隊在第二道防線與日軍苦戰。李玉堂指揮炮火重點支援方先覺師的陣地。密集的炮彈在陣地前方爆炸，日軍在葛先才團的陣地前陳屍累累。
在豐島的嚴厲催促下，上午9點，日軍組織大部隊向金盆嶺、黃土嶺猛攻。日軍冒著炮火衝鋒，幾次衝到守軍陣地上，雙方多次展開肉搏，雙方的官兵一批批倒在血泊中。
打到上午11點，金盆嶺陣地的張越群團第二營聯絡中斷，情況不明。11點半，一名身負重傷的偵察員堅持著爬到鄰近第二營的一個陣地，向師部報告第二營情況危急，帶隊的副團長陳新春和團附曾友文陣亡。全營官兵大多數已經陣亡，陣地已被日軍攻占大半，剩餘的官兵們還在拚死堅守，請師長速派援兵。
方先覺計算時間，派兵增援為時已晚，況且第二營陣地易守難攻，倘若被日軍攻占，援兵也難上去。他預感到形勢在朝著對守軍不利的方麵變化。如果丟了金盆嶺，整個防務部署都會受到影響。他忍痛下令，集中全師迫擊炮，同時請求位於嶽麓山的戰區炮兵群，向第二營陣地進行覆蓋射擊。
炮聲驚天動地，陣地上血肉橫飛，發出一片慘叫。炮火吞噬了日軍，也吞噬了第二營殘餘的官兵們。
陣地歸於靜寂的時候，方先覺默默脫下軍帽，向犧牲的部下低頭致哀。
遭到重大打擊的日軍被迫向東退去。
半個小時後，守軍兩個連的預備隊趕到金盆嶺，官兵們在陣地上找不到一具完整的屍體，中日官兵身體的碎片交錯雜陳，無法區分。官兵們把屍體暫時搬到一邊，準備迎接下一輪戰鬥。
下午，日軍神田第六師團進入戰場，向城區東北郊朱嶽第一九零師陣地發起攻擊。傍晚，青木第四十師團將傷亡慘重的豐島師團一部接替下來，繼續猛攻方先覺師陣地。至此，進入湘北的日軍三個師團已全部投入攻城。李玉堂軍受到三倍於己的日軍的包圍攻擊，形勢漸漸緊張。
方先覺下到團部督戰，指示每次打退日軍進攻之後，隨即重新編組班排，任命指揮員，補充彈藥。1日至2日兩晝一夜，方先覺師營、連、排三級指揮員傷亡大半，戰鬥班班長普遍更換，有些新兵當了班長。設在城內的四所醫院人滿為患，許多重傷員因得不到及時救治而死亡。
日軍神田師團展開攻勢後，朱嶽師的陣地成為長沙保衛戰的重點。當時擔任李玉堂軍朱嶽師作戰科科長的黃鍾回憶說：
下午2時，各路日軍白刃衝陣，隨後北門開福寺、東門袁家嶺、南門東瓜山相繼失守。我第三師反攻袁家嶺，第七團複而據之；預備第十師反攻東瓜山，第二十九團複而據之；黃昏，東、北兩麵敵軍之步兵大部渡過瀏陽河，南麵笫四十師團也全部到達戰場。敵三個師團向我發動黃昏聯合攻勢，我軍奮勇抗擊，徹夜激戰。在零度氣溫下，我軍將士鬥誌旺盛，愈戰愈猛。但因城郊陣地部分失守，我軍退守油鋪街、湘雅醫院、陳家山、清水塘、韭菜園、識字嶺、回龍山、白沙井、沙河街、楚湘街一線繼續作戰。
1月3日微明，李玉堂電話詢問第一九零師師長朱嶽：“陳家山怎麼失守了？”