自从湘北方面的战斗打响以来，第9战区已逐渐判断出日军投入湘北战场的兵力远比其原先设想的要多。虽然赣北方面一直还没有动静，但第9战区不敢轻易地调动赣北守备部队，况且，以现有的只能靠步行的速度，赶赴湘北战场也来不及。万一赣北日军进攻，整个战区都将陷于腹背受敌的被动局面。在这种情况下，薛岳急电国民政府军事委员会，请求增派3～4个军增援。
同时，薛岳决定在汨罗江一线与日军进行决战，一决雌雄。其部署是：
第37军(附第99军第92师) 以一部任长乐街、新市间至汨罗江南岸守备，主力于麻峰嘴、李家桥、彭家坳占领既设野战阵地，完成战斗准备；
第99军仍任汨罗江南岸归义、营田、湘阴一带守备；
第26军推进至金井、将军坝一带地区，伺机由东向西侧击南犯日军；
第10军由衡阳、衡山向高桥、上杉市、长沙、金井推进；
第74军以2个师开浏阳，1个师开洞阳市，策应湘北方面作战；
第72军改调平江，支援汨罗江防线作战；
第6战区第79军第98师即开益阳、军山铺；
重迫击炮第2团、第74军炮兵团、炮兵第1团集中使用于汨罗江南岸之主阵地线，先协助第37军守势作战，尔后支援第26军反攻。
9月20日晨，薛岳下达的上述作战命令被日军截获。当时，日军第11军的参谋部正在研究向汨罗江南岸发动进攻的方案。
阿南惟畿接到这份情报后，立即派出飞机进行侦察，将第9战区军队调动的情况与电文相对照。在证明所得情报确实无误之后，阿南惟畿立即改变了“将主力用于湘江方面”的原作战指导方案，决心从东面对第9战区的部队进行包围，在捞刀河以北地区捕捉歼灭国民党军队。
随即，阿南惟畿令第6师团由瓮江、三角塘方面向金井方向挺进，包围第26军；第40师团由平江经社港向洞阳市迂回，尔后与第6师团一起围歼第26军；第3、第4师团分别向麻峰嘴、栗桥挺进，包围第37军。
20日，日军第3、第4、第6师团强渡汨罗江，并将正面逐次向东移动，企图包围汨罗江南岸中国守军的右翼；其第40师团则沿关王桥、长乐街以东山地，经三枣桥向瓮江挺进。
21日中午时分，阿南惟畿正式向各师团下达作战命令：
“军决定于22日黄昏开始行动，在捞刀河以北地区捕捉歼灭当面之敌。”
然而第9战区的悲剧还不止于此。
22日晨，日军再次截获了第9战区的作战命令。
这道作战命令是薛岳于21日23时发给第74军的。它要求第74军主力立即向浏阳西北的蕉溪铺集结，而以一部在社港南面的新安铺集结。
阿南惟畿得到情报后，再次派飞机进行侦察。结果第74军的行踪不但事先暴露，而且日机还发现了正由长沙向金井急进中的第10军及由金井向瓮江方向前进的第26军的队伍。
于是，阿南惟畿将原定于22日黄昏开始的攻击时间提前，于11时发布了开始攻击的命令。
两道被截获的电波就这样决定了第9战区军队的悲惨命运。
第9战区的各部队接到命令后，马上向各自的指定方向开进。
20日，日军一部窜至长乐街、横山桥，被第4军击退。20日夜，第20军克复关王桥。日军第40师团一部来援，被第4、第58、第20军协力击破。随后，这三支部队由东北方向继续向长乐街、磨刀滩、新市、归义衔敌后侧攻击前进。第37军则与渡过汨罗江之日军一部展开激战。至 21日上午，日军一部退回汨罗江北岸，另一部仍占据着浯口及长乐街南岸一线。第197师仍在洞庭湖南岸与日军对战。
第26军原定防守汨罗江南岸金井至将军坝的第二线阵地，但20日又接到命令，要求该军推进至汨罗江南岸平江以西——浯口——新市的第一线阵地。
21～22日，第26军昼夜兼程赶往指定防线。不料，在瓮江、浯口一带遭到日军第6师团的围攻。双方随即展开激战。
与此同时，防守洞庭湖与汨罗江所形成的三角地带的第37军第95师和第140师也遭到日军第3、第4师团的攻击。当时，日军以第3、第4师团的一部攻击第37军的正面，以第4师团主力从第99军第99师与第95师的结合部穿插而过，自左往右向第95师神鼎山阵地迂回，以第3师团主力从第140师双江口阵地右侧与第26军的结合部穿过，自右向左往第140师侧后迂回，企图从左右两个方向将第37军的两个师包围消灭。双方在马头岭、伍公市、新市、骆公市等附近捉对展开厮杀。
23日，第26军经过苦战，未能击退当面之敌，反而有陷入日军四面合围的险境。第26军军长肖之楚立即向薛岳报告险情。薛岳指示，第26军可向南撤退至蒲塘。
同日，日军第3师团从第140师右侧突入，向双江口阵地全线猛攻。最后，第140师陷入日军重围之中，各方的通信联络都已中断，全师官兵于混乱之中只能各自为战。第140师虽伤亡惨重，但仍在坚守阵地。第95师则在神鼎山阵地顽强抗击着日军第4师团的攻击。
24日，第26军边打边向蒲塘撤退。日军第6师团紧追不放。同时，日军第40师团又从东面压来。日军2个师团跟踪追击到蒲塘，对第26军展开围攻。