日軍元澤支隊從湘陰方麵趕來支援神田師團，被傅仲芳第九十九軍攔截在高家坊以西地區，自身難保，未能穿過粵漢鐵路。
神田師團得不到接應，彈藥缺乏，糧食斷絕，處於困境，左衝右突一天，死傷無數，仍未能跳出包圍圈。
神田正種深感已陷絕境，第一次產生了絕望的念頭。他一手持槍，一手舞刀，親自督戰，指揮部隊向青山鋪北麵楊漢域軍的阻擊線衝殺，喉嚨都喊得嘶啞了。他親眼看到日軍一片片、一排排地倒下，在中國軍隊扔出的手榴彈的爆炸聲中高聲慘叫，血肉橫飛，內心陷入極度的痛苦。
戰鬥到中午，雙方軍隊都要吃飯，暫時停火。神田在青山鋪外圍布置了警戒哨，命令部隊抓緊吃飯，準備再次衝鋒突圍。
神田師團已經沒有主糧可吃了。衛士給神田送來的是合煮在一起的山芋、花生和大豆。神田看著衛士手中的這碗雜糧，精神突然崩潰，朝東方跪下，解開軍衣，雙手握刀，刀鋒指向腹部，打算剖腹自殺。一名衛士見狀，使勁奪下了他的指揮刀。
衛士一把抱住神田，大聲喊道：“師團長閣下，整個師團都在等著您指揮突圍，您不能死，您不能死啊！”
這時，所有的參謀和衛士都圍了過來，紛紛勸說神田不要自戕。
騎兵大隊長宇內正治聞聲趕來，把神田抱上馬背。他自己也跳上了馬鞍，一邊抽打坐騎，一邊高呼“衝啊”，帶著神田的坐騎一起，向青山鋪北麵街口奔去。騎兵大隊全部躍身上馬，緊跟在神田和宇內身後，疾馳而去。
守衛在青山鋪北麵的楊漢域軍的官兵們正在吃飯。當這群騎馬的日軍飛奔過來時，他們沒有防備。但是，坐在山頭上的楊森和楊漢域發現了日軍騎兵，親自開槍示警，督促各部阻擊。官兵們連忙放下碗筷，拿槍射擊，可惜的是，神田和他的騎兵們，已經越過了火力封鎖線，突圍出去了。
不過，雖然神田師團的主帥和騎兵大隊已經逃脫，其他部隊卻還在中國軍隊的包圍之中。
池之上賢吉非常清楚神田師團所處的困境，一心想盡快接應他們突圍。9日淩晨，他率領自己的旅團來到影珠山下，決心占領影珠山，為神田師團的突圍開辟通道。為此，他向阿南惟畿請求空中支援。同時，他挑選出幾百名精兵，臨時編成山崎茂大隊，一律輕裝，攜帶手槍、戰刀以及輕機槍，加上幾十名便衣，向影珠山進行突襲。
天亮之後，日軍飛機對影珠山孫渡軍的陣地進行轟炸。日軍炮火也向影珠山傾瀉。在日軍強大的火力打擊下，孫渡軍陣地出現了一陣混亂，山崎大隊乘機占領了東影珠山的製高點。
正在這時，已經北逃的豐島師團抽出三千多人，掉過頭來接應神田師團，到達楊漢域軍的陣地前。
楊漢域軍的指揮所頓時三麵受敵，險象環生。日軍山崎大隊居高臨下，瞰製著楊漢域軍的側後，構成很大的威脅。
楊漢域決心解除這個威脅。他指著山崎大隊占領的製高點，大聲吼道：“龜兒子，幹掉他!”
楊漢域派出軍直屬的騎兵連、特務連、工兵連，加上楊幹才第一三四師一部分步兵，向山崎大隊發動攻擊。打到下午4點，終於將山崎大隊全部殲滅。楊漢域軍同時打退了豐島師團的進攻。
楊漢域軍解除了兩麵的威脅，便與孫渡軍攜手，對池之上旅團進行反擊。經過一整夜的激戰，終於將這股日軍擊潰，並將該旅團的一個步兵大隊圍困在影珠山。
好不容易突出重圍的日軍，丟下這個大隊而不來回救，楊漢域軍和孫渡軍對這個被日軍拋棄的大隊展開激烈的殲滅戰。
這股日軍被包圍得嚴嚴實實，仍作困獸之鬥。他們拚死突圍，在中國軍隊的陣地前留下大批的屍體。在突圍完全無望的時候，饑寒交迫的日軍士兵開始神經錯亂，無法戰鬥下去。日軍指揮官看到情況無法收拾，便指揮了一場集體自殺。
首先，官兵們布成一道密密的包圍圈，將上百匹軍馬團團圍住，接著響起密集的槍聲，軍馬都發出悲哀的嘶鳴，倒在血泊之中。
接著處理傷員和病號。那些弱者被集中在一起，有的剖腹自殺，有的被自己人用刺刀捅死，或者用機槍射殺。
殘餘的日軍，包括所有的軍官，在毀壞了大部分武器之後，紛紛跪下，眼睛癡呆呆地朝東方遙望一陣，然後拿起步槍、刺刀和手榴彈，互殺或自殺。
幾聲轟鳴，一陣槍響，一片哀號，一切歸於沉寂。
中午，日軍偵察機飛越影珠山上空，飛行員看到了地麵的慘狀。在荒草叢中、亂石堆裏和樹林旁邊，日軍屍體橫躺豎臥。偵察機的高速攝影機攝下一些鏡頭，成為侵略者終將自焚的曆史見證。
影珠山戰鬥結束後，中國軍隊的五個軍繼續圍攻日軍神田師團，使該師團傷亡慘重。10日黃昏，在十幾架日軍飛機的支援下，神田師團殘部才突出重圍。11日和12日，中國軍隊一路追殺，又讓日軍留下了一些屍體。
13日淩晨，北逃的日軍師團全部到達汨羅江一線，在新市、長樂街等地集結，收容從各處分散突圍的日軍。
日軍喘息未定，上午8點鍾，陳沛軍追到了新市，向日軍發起攻擊。日軍渡江北逃，爭先恐後，秩序大亂，許多人淹死在江水裏。陳沛軍占領新市後，繼續向北追擊。
從汨羅江到新牆河這一段，中國軍隊擺下了最後一道阻擊線。夏首勳軍和陳沛軍李棠第一四零師在這裏占領了陣地。14日和15日兩天，日軍拚死突圍，雙方戰鬥激烈。日軍付出慘重代價，才突破這道防線。
16日，新牆河的南岸已經沒有日軍。退過新牆河的日軍，占領了會戰開始前的陣地。中國軍隊的追擊漸漸停止。
元月18日，薛嶽下達了結束會戰的命令。各部隊恢複原態勢，並將部署稍加調整。
第三次長沙會戰就此結束。
日軍檢討作戰失誤，中國軍隊召開慶功大會。
第三次長沙會戰，以中國軍隊的勝利宣告結束。那麼，從統計的數字來看，結果究竟是怎樣呢？
中國方麵宣布：
日軍傷亡遺屍五萬六千九百四十四人，被俘一百三十九名。
中國軍隊陣亡一萬一千二百五十九人，負傷一萬四千七百七十九人，失蹤二千零四十二人，共計損失二萬八千一百一十六人。
日本方麵公布的數字：
日軍戰死一千四百六十二人，負傷四千零二十九人，共計傷亡五千四百九十一人。
中方與日方公布的數字，照例是相差懸殊。
但即便如此，日本方麵公布日軍傷亡數字時稱：
這次以策應香港作戰為目的的長沙作戰的損失，竟為香港作戰的二點五倍。
由此可見，從日本軍人的眼光看來，第三次長沙會戰他們是打了敗仗，至少是作戰失利。另外一個佐證是，日軍在第一次長沙會戰之後，與中國軍隊在同時慶賀勝利；在第二次長沙會戰之後，日軍更是慶祝殺傷了中國軍隊的主力；而在第三次長沙會戰之後，他們卻迫不及待地召開了一次作戰檢討會議。
武漢。日本第十一軍司令部。
1月16日，阿南惟畿帶領參謀人員從嶽陽返回這裏。17日，第十一軍司令部設置靈堂，追念這次作戰中陣亡的日軍官兵。
18日，也就是中國方麵宣布會戰結束的那一天，畑俊六便從南京飛到武漢，參加第十一軍的作戰總結。而且，畑俊六一開場就宣布，這次總結的主題是檢討過失。這在第十一軍的曆史中並不多見。
一向沉穩冷靜的畑俊六，竭力控製著滿腔怒火，但他的表情仍然掩飾不住內心的氣惱。
總司令官是這副神態，阿南惟畿自然也無法做出輕鬆的姿態。豐島房太郎、神田正種和青木成一等師團長，也是臉色鐵青，正襟危坐。他們的眼裏失去了往日的傲慢，目光中有幾分呆滯，幾分凝重。
畑俊六開口說話了。他滔滔不絕地談起日本皇軍對美國和英國宣戰以來所取得的勝利，談到太平洋戰場上的敵人如何不堪一擊，談到日軍如何輕易地攻占了香港，談到神聖的太陽旗不久就會插遍全球。這位戰爭狂人一談到皇軍的軍威無敵，就一反常態，忘乎所以。
他瞪著眼睛吹噓了一通，突然想起今天會議的主題，便把話頭一頓，用威嚴的語調說道：
“諸位，在我大日本皇軍取得節節勝利的時候，第十一軍策應香港作戰而進行的第三次湘北作戰，卻使我軍蒙受了羞辱！你們本來是我軍無往不勝的攻擊部隊，此次作戰卻十分不利，原因何在，諸位都要認真檢討!”
說到這裏，畑俊六用複雜的眼神看了阿南一眼，提高嗓門說道：“我看原因是很明顯的，由於阿南司令官頭腦發熱，錯誤地判斷敵情，臨時改變作戰部署，而且先斬後奏，才導致作戰失利!”
阿南被總司令官點名，立刻起立，垂首聽訓。
畑俊六將會場掃視一遍，說：“請諸位發言吧。”
由於畑俊六已經指出了這次作戰失利的根源在於司令官指揮失誤，幾名師團長都順著他定下的調子，指出阿南指揮上的輕率和失當，並且針對部隊缺彈少糧的情況，指責後勤部門工作不力。
軍事檢討會接連開了兩天，阿南本人誠懇地做了檢討，參謀長木下勇和副參謀長二見秋三郎分別對作戰指揮和後勤供應作了深刻檢討，並請求派遣軍總司令官給予處分。
日本軍隊一貫注重戰績，遭到這樣的重大失敗，又處於雙方都注重國際影響的時期，通常會斷送作戰指揮者的前程。但阿南惟畿由於在宮廷中的背景，仕途照樣亨通。他於1942年7月1日被任命為駐齊齊哈爾的第二方麵軍司令官，1943年5月又晉升為大將軍銜，1945年升任陸軍大臣。
不管阿南晉升到什麼高位，第三次長沙作戰的恥辱一直陪伴著他。他常在夜深人靜的時候，孤身一人，在蠟燭光下，對著次子的遺像，冥思這一仗的教訓。
日軍舉行作戰檢討會的前後，中國方麵正在大張旗鼓地慶祝第三次長沙會戰的勝利。
第三次長沙會戰的勝利，是在一個特殊的戰爭時期取得的。這個時期的特點是，太平洋戰爭爆發不久，日軍正在大肆攻擊英美荷及其附屬殖民地，勢如破竹，銳不可擋。
同盟國在日軍打擊下連連丟城失地，屢屢舉起白旗，全世界反法西斯戰爭的前途，罩上了一層不祥的陰影。英美參戰給人們帶來的巨大希望，到了破滅的邊緣。將介石看到同盟國連連失利，常常搖頭歎息。
就是在這樣的時候，中國軍隊在長沙大獲全勝，成為太平洋戰爭爆發以來同盟國在戰場取得的首次勝利。
英國《泰晤士報》立即作出反應，評論道：
12月7日以來，同盟國軍唯一決定性之勝利係華軍之長沙大捷。
倫敦《每日電訊報》發出快訊：
際此遠東陰霧密布中，唯長沙上空之雲彩確見光輝奪目。
美聯社記者福爾門撰文報道：
中國第三度的長沙大捷，證明了一個原則，那就是中國軍隊的配備若能與日軍相等，他們即可很輕易地擊敗日軍。