随后，日军出动10余架战机，对守军阵地狂轰滥炸。防御工事多被炸毁，不少士兵被活活埋在掩体内。但守军并未退缩，待日军第二次渡河时，又奋起阻击。
午后，日军再次以炮火和飞机对守军阵地进行毁灭性炮击和轰炸，同时施放毒气。数十分钟后，第2师第12团阵地工事全部被毁，守军大部分葬身其中。未被炸死的人员也全部中毒，丧失了战斗能力。残暴的日军占领阵地后，用刺刀将他们全部捅死。
第52军军长张耀明令第25师进行反攻，同时又给第2师增拨一个旅的兵力，让师长赵公武亲自率领去阻止日军南下。于是，双方在新墙河边再度展开激战。日落时分，双方仍在新墙河一线对峙着。
营田失守，使关麟征的第15集团军侧翼受到严重威胁。此时，日军第6师团从新墙河正面攻击，奈良支队从右侧压来，营田上村支队又从左侧包抄，第15集团军有被围歼的危险。
关麟征在征得薛岳的同意后，立即命令各军后撤。同时，关麟征又急忙将这一情况电告蒋介石：因营田敌军登陆，为免除新墙河、汨罗江两线同时守势，全部陷于被动，奉长官薛岳指示，集团左翼变更部署如下：(1)第52军以一部留驻阵地占领据点，集结主力，乘敌进出新墙河南岸南犯之际攻击之。(2)抽调第60师控制于新市以南之桥墩附近。(3)第73军(欠第15师)向新开市附近待命。(4)第79军附第95师主力在新市、归义、河夹塘、亘虞公庙占领阵地，一部在湘阴附近，任沿江沿湖之守备。
第15集团军前线各部队接到命令后，于24日边打边退。除第52、第70、第73军留一部固守原据点外，其余撤到汨罗江第二线阵地。
与此同时，薛岳在长沙召开紧急会议商讨对策。最后，会议做出了诱敌至长沙郊区实行反包围与敌决战，进而将其歼灭的作战方案。会后，薛岳将这一方案向蒋介石做了报告，以待裁定。
接着，薛岳令战区直辖第4军及炮兵向岳麓山、长沙及其东北地区前进，占领进攻出发阵地。第9战区前线指挥所则移驻渌口。
就在薛岳准备实行围歼日军的作战计划时，一件意想不到的事发生了。