在短短的一个星期内，第9战区第26、第37、第10军三个主力军便先后被日军击溃，这令薛岳十分恼火。日军正在向长沙步步紧逼，第9战区的战场态势越来越不利，薛岳决定让第74军担负起阻止日军南下的重担。他认为，如果第74军能阻住日军，那么，第9战区聚重兵于捞刀河一线，与日军还可一较高下。
薛岳之所以让第74军担此重任，是因为第74军有着骄人的抗战业绩。特别是在1941年春季的上高会战中，第74军奋勇杀敌，使日军伤亡惨重，赢得了“抗日铁军”的称号。
27日晚，第74军各部奉命突围，向醴陵集结。
第74军的防线被击破后，通往长沙的屏障已全部被清除。而此时守卫长沙的，只有第6战区前来增援的第79军第98师。
尽管如此，薛岳仍想竭力保住长沙。在他看来，失去长沙城，让日本人哪怕有一天的占领，都是他这个战区司令长官的耻辱。同时，他心中还有一层潜在的意识，那就是他要把长沙城变成中国各战区抗战的象征。
所以，此时的薛岳一面催促援军火速赶到长沙，一面命令滞留在敌后的第27集团军的3个军赶到长沙救驾；同时，令第26、第37、第10、第74军各率残部向正在逼近长沙的日军进行反击。
当时，第98师主力部队配置在城内，一部在捞刀河与浏阳河之间占领阵地，并在石灰嘴派出了警戒部队。
27日，日军早渊支队渡过浏阳河。在驱逐了第98师的警戒部队后，即向长沙挺进。第98师虽奋力抵抗，但早渊支队一部还是于当天下午5时左右从长沙城的东北角冲入城内，并控制了新开、经武两城门，掩护主力入城。早渊支队司令部于当夜23时进入城内。29日，日军第4师团开进长沙。薛岳要守住长沙的愿望还是未能实现。
在日军进入长沙的当晚，第7战区增援部队暂编第2军暂编第8师赶到长沙东郊左家塘附近。在获息日军已进入长沙后，即向长沙郊区的日军发动攻击。但该师仅到达1个旅的兵力，根本无力击退当面之敌。
28日，第79军暂编第6师到达岳麓山，薛岳即令其东渡湘江，驱逐进入长沙之敌。
29日，渡过湘江的暂编第6师向长沙城内日军发起攻击，并与早渊支队在市区发生巷战。但这时，日军第4师团主力也已开到长沙，第3、第6、第40师团全部到达长沙外围。由于兵力过于悬殊，暂编第6师只好撤出城去。
日军占领长沙后，以第4师团留驻长沙，其他师团向浏阳、株洲方向追击国民党军队。
第3师团自黄花市经金潭向株洲追击，29日在茭冲辅、油麻山一带与第74军第57师展开激战，双方伤亡惨重。当日9时，第29旅团的先遣队冲进株洲，13时撤出；30日14时返回金潭附近地区集结。第6师团击败第74军第51师后于29日进到镇头市集结。第40师团于28日进到浏阳县北盛仓，占领狮形山，29日集结于永安市。
至此，日军停止了全面进攻。接下来，阿南惟畿和他的前任冈村宁次做了同样一件令其对手没有想到的事——全线撤军。
此次作战，日军第11军从新墙河打到长沙，可谓一路势如破竹，所向披靡，虽然期间遭到过一些顽强的抵抗，但终究未能阻止其南下的脚步。从9月18日发起全面攻势至9月27日攻进长沙城，前后仅用了10天时间。阿南惟畿不禁为眼前的这种胜利所陶醉。
俗语有云：乐极生悲。正当阿南惟畿的大军向长沙长驱直入时，其后勤补给线却屡遭打击。运输部队被袭，后勤补给仓库被毁，类似的报告一个个接踵而至。阿南惟畿自然很清楚，作战部队若失去了弹药、给养的补充，那将意味着什么。
为了保证前线作战能够顺利进行下去，阿南惟畿也是不惜血本，一下子又派出50多辆装甲车向前线输送弹药、给养，同时又派出1000多名步兵做掩护。可阿南惟畿万万没想到，他的这支运输部队在9月29、30日行至金井西北之脱甲桥及麻峰嘴等地时，居然连人带车被国民党军队一股脑儿全部报销，而他的这一数目巨大的补给物资也有一半落到了他的敌人手里。
阿南惟畿搞不清楚这是哪些部队在其前线部队的后方捣鬼，他更难以接受这样一个事实。
其实，不断在后方打击日军后勤补给线的正是早已不被阿南惟畿放在眼里的以第27集团军为主的各部队。虽然在日军发起全面攻势时，身处最前线的第27集团军确实遭到不小的打击，但其所属各部并未遭到毁灭性的重创。因此当日军一路只顾南下后，第4、第20、第58军等部便跟在其屁股后面，时不时地从侧面或后面给他来上几枪。另外，他们在日军后方还有一项重要的任务，那就是打击日军的后勤补给线。经过不断地偷袭、围攻，日军的后勤补给线几乎全部被其切断。而且当日军攻进长沙时，他们也随之来到了长沙周围。
此时，阿南惟畿的面前摆着前线各师团急需补充的电文，而他却很难再向前线输送粮食、弹药等补给品了。无奈之下，阿南惟畿终于重复了他的前任冈村宁次曾下达过的命令：“全线撤退。”
其撤退计划是：第40师团先行撤退，然后第4、第3、第6师团再撤退；撤退路线：第40、第6师团沿永安——麻峰嘴——长乐——线北撤，第4师团沿长沙——湘阴——线北撤，第3师团则在上述两条线路中间北撤。