10月1日黄昏，日军开始全线撤退。为了掩护主力部队北撤，日军第11军做了如下部署：
平野支队在湘阴北方白泥湖岸登陆，占领湘阴，尔后掩护伤员由水路北撤；
第4师团森田支队进占神鼎山北麓，当主力部队全部撤过后归建；
荒木支队在新开港占领阵地，当第4师团经过时随之北撤；
独立混成第14旅团江藤支队，在长乐至新墙之间掩护兵站，当第6师团撤过后归建。
10月1日夜，荒木支队由狮形山开始向新开港进发。2日晨，在行至麻峰嘴东北地区时与第20军遭遇。荒木支队无心恋战，很快就脱离战场，并于当日到达新开港。4日，又配合平野支队，攻占了湘阴城。后与平野支队从水路撤回。第40师团继荒木支队后也由狮形山开始北撤。在撤退过程中，曾遭到第20军等部队的阻击。
由第4师团指挥的早渊支队于30日夜间开始北撤。10月1日，该支队在捞刀河北岸遭到巧妙伪装的第98师的阻击，伤亡甚众，2个联队长被击毙，余部溃逃。第4师团主力于10月1日从长沙市区开始撤退，步兵第61联队第11中队殿后。2日，该中队退至东屯渡时被国民党军队包围，后在第3大队和16架飞机的支援下，于3日突出包围。步兵第8联队退至麻峰嘴时，受到第20军第134师的阻击，伤亡甚多，5日才到达汨罗江南岸。
第3师团10月1日傍晚由金潭附近北撤。2日在枫林港以北地区遇到第99军第99师阻击，3日进到影珠山，又遭第92师拦击，拼命突围始得通过。
第6师团殿后。10月1日傍晚，该师团从镇头市撤退，编成三路纵队北返。在福临铺及检市场等地遭到国民党军队的阻击，5日晚进到长乐附近。
10月6日，薛岳致电蒋介石：“败逃之敌自东日(10月1日)以来被我欧、杨、傅三军在汨罗江、捞刀河间猛烈截击，肖、夏两军猛烈追击。至本鱼日(10月6日)其主力狼狈渡汨罗江，北岸沿途遗尸甚多，刻我韩军先头部队已到达杨林街，正自东向西截击败逃之敌，孙军正在大荆街西方猛烈攻击，欧军已由长乐街附近渡江，协力孙军自东向西截击败逃之敌，杨军正由伍公市、新市渡江，各部猛追尾敌。傅军梁、高两师正协同肃清新市、归义、河夹塘、营田一带残敌，萧军已越高桥向长乐街，方、夏军王、赵两师已越过福临铺、新桥向伍公市、新市方面，清扫战场，策应各追击军作战，其余各部任务同前。”
10月7日，日军渡过汨罗江后，经新墙河开始向临湘、岳阳撤退。为进一步追歼北退之敌，薛岳又重新调整部署：
王劲修率3个挺进纵队及2个补充团，切断咸宁、蒲圻间之铁路、交通、通信，断敌归路，阻敌向堙水东北岸逃窜；第78军之新编第16师进攻崇阳之敌及击敌援兵，断敌归路。
第20军暂编第54师以主力攻击大沙坪，以1个团攻击羊楼洞而占领之，由羊楼洞附近切断铁路、公路之交通、通信及击敌援兵。
第6挺进纵队向羊楼洞、第7纵队向五里牌截击日军，并确实截断铁路、公路之交通、通信，断敌归路及击敌援兵。
第72、第4、第58、第20军在汨罗江、新墙河间截击、尾击敌人后，第72军向忠坊、临湘；第58军向桃林；第4军向西塘，自东向西截击日军；第20军向筻口、新墙，自东南向西北尾击日军，并力争将其压迫于岳阳附近地区加以歼灭，从而一举而攻占临湘、岳阳。
第26军集结于浯口、长乐街，推进至登龙桥、关王桥，第79军第98、暂编第6师集结于伍公市，推进至三江口、大荆街，策应新墙河北岸各军作战。
第99军第92师、第99师协力肃清归义、河夹塘、营田一带残敌后，前者在新市南神鼎山东侧地区集结，策应各方作战；后者仍任归义、河夹塘、营田、湘阴一带原防。
10月9日，薛岳向蒋介石报告：败退之敌已溃渡新墙河；从8日上午开始，第72军向忠坊；第58军向桃林；第4军向西塘；第20军向筻口、新墙河北继续猛追，各军除以一部围攻据点之敌外，主力正向岳阳、临湘东南地区挺进攻击中。
虽然第9战区对北撤日军的追击声势浩大，但由于各军在此前都曾遭到日军不同程度的打击，战斗力并不强，再加上在追击的过程中各军之间缺乏相互协调和配合等原因，并未能取得薛岳所期望的将日军压迫至岳阳附近加以歼灭，进而克复临湘、岳阳的目的。
10日前后，日军全部退回新墙河北岸，双方军队又恢复了战前的对峙态势。
在整个会战期间，为策应湘北主战场作战，日军独立混成第14旅团于9月22日从九江出发，25日向武宁方向攻击；第34师团于9月27日击退锦江北岸之国民党军队，尔后向奉新方向反转进击，牵制赣北方面的国民党军队。10月上旬，这两支部队也陆续返回原防地。
第二次长沙会战，历经月余，终于落下了帷幕。