4日，长沙城外日军再次发起全线攻击，但在守军的顽强抵抗下，又一次受挫，日军第3、第6师团于4日晚乘夜色脱离战场，由长沙城外分别向东山、朗梨市撤退。
第9战区在获知日军退却后，立即命令原准备在长沙附近合围日军的部队改为堵击、截击和追击日军，力争在汨罗江以南、捞刀河以北地区将其歼灭。
5日，日军集中第1飞行团飞机50余架，掩护其地面部队退却。第6师团由于不是第9战区围歼的目标，因而所受拦阻较第3师团少一些，并较快地退到了朗梨市；第3师团开始退却时，在长沙东南郊金盆岭、清水塘、石马铺一带，被第4军截击，伤亡惨重；退至东山附近时，又遭第79军截击，被迫沿河堤退往朗梨市，随第6师团之后，在该地渡过浏阳河，撤到浏阳河东岸。
6日，日军第3、第6师团从朗梨地区继续向北撤退，遭第26军及第79军的截击，死伤甚多。7日夜，该两部日军突围退至捞刀河北岸；日军第40师团于当日由春华山经罗家冲向学士桥退却。8日，日军各部由捞刀河北岸继续北退，沿途屡遭第9战区追击部队拦截、侧击。9日，日军主力在其独立混成第9旅团的策应下，由福临铺北撤，并于12日前后相继渡过汨罗江。第9战区各追击部队跟踪追至汨罗江南岸，并以一部渡过汨罗江向长乐街以北进行超越追击。15日，日军退过新墙河，固守原阵地，第9战区所部一面扫荡新墙河以南残敌，椕嫦蛐虑胶右员弊坊鳌Ｖ?6日，恢复会战前原态势。
第三次长沙会战结束。
这次长沙会战，是太平洋战争爆发后日军在中国正面战场发动的第一次大规模进攻作战。由于第9战区部署得当、协同密切，作战得力，从而取得了此次会战的胜利。此役共毙伤俘日军5万余人，这在历次会战中都是罕见的；第9战区损失2.8万余人。