这时，薛岳也知道方先觉师伤亡重大，作战艰苦，趁夜调来第五十五师的一个团，交给方先觉指挥。方先觉不愿马上使用友军，提前作破釜沉舟的打算，命令给师部全体官兵发放武器，分守地堡和坚墙厚壁。杨正华奉令指挥督战队和部分工兵坚守江边的一座仓库，在情况紧张时，他命令副官蒋经纶枪决了一名汉奸嫌疑犯。
4日拂晓，日军发起全线进攻，动用空军助战。中国守军全靠炮兵密切配合，官兵沉着迎战，等到日军进入火网，才用机步枪猛射，随后投掷集束手榴弹，炮火也不停止，打死打伤大量的日军，日军后续部队也被炮火封锁，很难前进。
驻扎在岳麓山的炮兵，只要步兵有要求，不出一分钟，就可射出炮弹，准确性极高。天空中甚至出现一个奇迹：日机空投的一只给养箱，被守军火炮击中！这场景鼓舞了中国官兵的斗志，他们拼杀更为勇猛。日军的炮弹似乎已经用完，炮兵不再回击。丰岛下令肉搏，日军冒着刺骨严寒，赤背袒胸，向前猛冲。但是，血肉之躯，怎能挡住猛烈的火力！频繁的炮射，呼啸声和爆炸声，使日军心惊胆战，武士道精神大打折扣。这一场残酷的搏斗，日军伤亡不下一千人。下午，日军的冲击变得软弱无力，从望远镜里可以看到，日军后方人员忽前忽后，一片慌乱，他们的情况必定发生了变化。
原来，丰岛和神田指望青木师团快速开到长沙增援，可是青木师团的先头部队进抵金井时，被中国守军的外围部队从东、西、北三方合围，无法突出。等到增援部队赶来，四百名日军只剩下二十名，几乎是全军覆灭，大队长和两名中队长都被击毙。
日军池之上旅团，更是没有消息。丰岛和神田到了山穷水尽的地步，到了晚上，前方的枪声由紧密而稀疏，最后沉寂。半夜，守军收到长官部的通报：“第四军、第七十九军、第七十八军、第二十六军、第三十七军、第二十军和第五十八军已经到达指定位置，开始行动，日军后路已断。”
这样的局面，阿南惟畿在军伍生涯中还是第一次面对。他不甘心，但他不得不发布撤退的命令。
1月7日，日军青木师团好不容易现了踪影，他们一路留下尸体，艰难地到达春华山一带，企图接应北撤的丰岛师团和神田师团。
这时，中国第九战区的部队，从东南面、东面、东北面、西北面和西面对长沙的日军发起向心攻击，实施合围。前有兵堵，后有尾追，侧面也有打击。第三次长沙会战，终于到了熔炉升到最高温度的时候——聚歼日军。
日军饥疲交加，伤亡惨重。到15日，日军退过新墙河，固守原地。第九战区担任尾追的各军追到新墙河以南，还有一支部队向新墙河以北追击。湘北地区也成了烧烤侵略军的熔炉。中国军队的激情，洋溢在湘北战常
这一次长沙会战取得胜利，蒋介石在黄山别墅周围的阴霾中感到了暖意。他轻松地笑着说：“此次长沙会战，实为‘七七’事变以来最确实而得意之作。”薛岳得到了蒋介石给予他的最高奖赏——青天白日勋章。罗斯福总统也奖给他一枚独立勋章。
英国《泰晤士报》评价道：“12月7日以来，同盟军唯一的决定性胜利就是华军之长沙大捷。”
长沙会战进入尾声的时候，在1月15日，日本对荷兰皇家政府宣战，向荷属婆罗洲东海岸的石油城塔拉坎发动进攻。二十四小时后，日本海军和伞兵又向西里伯斯发动联合进攻，荷兰士兵尽力反击。