日军强渡新墙河之后，薛岳把所有的指望都寄托在增援部队。他想竭尽所能保住长沙，这座城市，是薛岳眼中的一个象征，他要在这里树起一面旗帜，鼓舞中国各战区的抗战。
在其他战区的增援部队赶到之前，他命令敌后的欧震军、孙渡军和杨汉域军向长沙靠拢，又命令萧之楚军、陈沛军、李玉堂军和王耀武军的残部，也向长沙方面的日军发起攻击。
他想：“死马当作活马医，但愿长沙能保住”
30日，陈诚第六战区王甲本的第九十八师到达，立即占领长沙北侧两公里处阵地，当晚就与最先向长沙城发动攻击的日军早渊支队接战。
王甲本打算将日军阻遏在长沙郊外，命令部队主动进攻。战到第二天拂晓，早渊支队的主力到达，依靠飞机支援，在猛烈的进攻中突破了王甲本师防线。当天下午，早渊支队从长沙城的东北角冲入，守住新开铺至武城门一线，掩护日军其他部队入城。
当天，余汉谋第七战区邹鸿暂编第二军的暂编第八师，赶到了长沙东郊左家塘附近，获悉日军已从北门进攻市区，就改向郊区的日军攻击。
但是，暂编第八师只有一个旅的兵力到达，无法击退优势的日军。
10月2日，夏楚中军的赵季平暂编第六师到达岳麓山，薛岳命令他们东渡湘江，驱逐进攻长沙的日军。
赵季平率师主力渡过湘江后，向长沙城内的日军发起攻击，与早渊支队发生巷战。这时，日军北野师团主力也开到了长沙，丰岛师团、神田师团和青木师团全部到达长沙外围。
赵季平见双方兵力悬殊，便率部撤到城外。
日军攻占长沙后，以北野师团留驻长沙，丰岛师团继续向株洲方向追击，企图歼灭南撤的中国军队。
4日清晨，丰岛师团一个骑兵大队突进东山附近。
杨宏广新编第三军的新编第十二师刚刚抵达马鞍山和白田铺一线布防，用轻重机枪向日军齐射，日军死伤无数，骑兵大队四处逃散，失去了战斗力。
两小时后，日军后续部队的四千多名骑兵，在三十多架飞机的掩护下，赶来增援，企图包围新编第十二师。
新编第十二师面对强敌，并不退缩，官兵愈战愈勇，打退日军的多次进攻。激战到下午，日军又增加兵力，攻势空前猛烈，眼看就要攻入守军阵地。刘世焱团长端起一挺机关枪，大叫一声：“弟兄们，跟我冲啊”
刘世焱纵身跃出战壕，向日军猛冲过去。战士们紧跟着向日军冲去，杀声震动四野，日军的攻势被压下去了。
冲在前面的刘世焱，左臂受伤，包裹后再次受伤，胸部又中五弹，壮烈牺牲。
新编第十二师刚刚稳住阵脚，敌后的战场上出现了转机。
杨森率领欧震军和杨汉域军向金井方向开进，从北向南到达长沙北面的郊区，准备围攻长沙城。顷刻之间，战局的主动权回到了中国军队手中。
阿南惟畿呆在岳阳的指挥所里，凭窗南望，眼前是阴森森的天空，灰蒙蒙一片，远处天地一色，似乎包容着一种难解的玄机。在他脸上，几天前的踌躇满志和情不自禁的喜悦，已经换上沮丧的神色。他的五十辆装甲车，全部被中国军队击毁，护卫装甲车的一千多名步兵，也已全军覆灭。前方各师团急需补充的电文，压在他的书案前，军人的警觉使他意识到，一线部队断绝了补给和增援，那将意味着什么。
阿南的压力不仅来自长沙。9月26日，陈诚的第六战区以最快速度调集兵力，乘宜昌日军兵力空虚，对宜昌发动了大兵团反攻作战。驻宜昌的日军第十三师团长内山英太郎向日本中国派遣军总司令部告急。畑俊六知道，攻占宜昌是裕仁下达的作战指示，如果日军丢了宜昌，内山被歼，后果过于严重。他急令阿南回援宜昌。阿南也知道，如果他听任内山切腹自杀，他这个第十一军司令官也做不长了。
阿南想起来了，他来中国战场之前，一位相处多年的同僚为他送别时，悄声对他说：“中国是个大泥淖，老兄好自为之。”
阿南惟畿熬过了一个无眠之夜，发出命令：“全线撤退”
日军撤退的情报送到了薛岳手里。他思索片刻，果断地下令追击。傅仲芳军斜插过来，阻挡日军的退路，迫使日军三个师团绕道而行。在阻击战中，傅仲芳军击落日军飞机一架。
10月9日，日军退过新墙河，回到原防，筋疲力尽的中国军队，也无力向前攻击了。
第二次长沙会战降下了帷幕。这次会战直接导致日本近卫内阁的第三次倒台。
但是，日军并没有放弃南进的战略，这年年底，太平洋战争爆发。在一个和平安宁的星期日，日军偷袭美国珍珠港，美军损失巨大。
第二天正午，罗斯福总统在海军上尉詹姆斯搀扶下走进了众议院。他腿上套着钢架，站在讲台前面，向国会紧急会议发表了历史性的讲演。他有意放慢声调，电台网将他的讲话向全国做了实况转播：
昨天，1941年12月7日，一个永远蒙受耻辱的日子，美国遭到了日本帝国海军和空军的蓄意进攻。
下午4点10分，罗斯福佩戴着哀悼死难将士的黑袖章，在对日宣战书上签字。同一天下午3点钟，丘吉尔首相在下院正式宣布：英国对日本宣战。