按照第9战区原先的部署，第10军以第190师防守长沙外围各据点，以第3师防守市内各要点，预备第10师在岳麓山一带驻防。12月30日，第10军调动部署，令第190师防守长沙北门浏阳河至兴汉门一线，第3师防守长沙东门天心阁至小吴门一线，预备第10师调到长沙城南，负责防守南门猴子石至天心阁一线。岳麓山一带则由赶来增援的第73军防守。军指挥所设在南门外湘江边上紧靠前线的灵官渡。
其3个师的具体部署是：
朱岳第190师的师指挥所设在市北经武门内，第568团驻守湘雅医院至南华女校的城东铁路沿线地区；第569团驻守湘雅医院至湘江岸边一线阵地；第570团驻守城北铁路以东杜家山、陈家山一线阵地，一部位于南华女校，以增强浏阳门以北的防守兵力。
周庆祥第3师的师指挥所设在城内中部的八角亭，第7团负责守卫浏阳门以南防线；第8团负责守卫浏阳门以北防线；第9团协助预备第10师驻守妙高峰、老龙街、严家岭一线，暂归预备第10师指挥。
方先觉预备第10师的师指挥所设在南门内的南正街，第29团配置在阿弥岭、雨花亭、金盆岭至猴子石第一线阵地；第28团配置在黄土岭、白沙岭、东瓜山及修械所一线；第30团配置在天心阁、妙高峰地区。
1月1日凌晨，在长沙保卫战正式打响之前，李玉堂又下令，除留下一两只机动小艇供联络用外，湘江内的一切军用和民用船只，全部都撤往水陆洲和湘江西岸。
李玉堂此次是破釜沉舟，真的要与长沙共存亡了。
1942年1月1日晨，日军第3师团渡过浏阳河，从东南方逼近了长沙守军的前沿阵地。
11时，丰岛房太郎师团长正式下达了进攻长沙的命令。其进攻部署是：由石井信率第18联队进攻长沙城东南角的东门至南门一带，由的野宪三郎率第68联队进攻南门外的市街与南门至湘江东岸地区。
中午12时，当一颗巨大的黑色信号弹刚刚从长沙市东侧东山镇李家冲山地日军第3师团指挥所的附近升起时，猛烈的攻城战就开始了。
日军第3师团野战炮兵第3联队首先向预备第10师的阵地开始猛烈轰击。炮声未停，石井信与的野宪三郎便各率所部，“叽哩哇啦”地呼喊着、嚎叫着，向狮子岭、金盆岭一带守军最前沿的阵地发起猛烈的冲锋。
这时，代表阿南惟畿前来慰问前线各作战部队的日军第11军参谋长木下勇乘坐的飞机出现在长沙上空。与木下勇同行的还有日本的一群随军记者。
当木下勇透过机窗看到第3师团的部队正向长沙东南郊区突进时，立即命令机上人员空投下由他带来的各种慰问信和慰问物品。记者们则不停地按动手中相机的快门，拍摄战场的情况以及长沙市区、湘江、岳麓山、浏阳河、捞刀河等地的军事地形照片。日军飞机在长沙上空兜了一圈后，又飞走了。
地面上，双方激战正酣。
日军第3师团第18联队在攻下预备第10师第29团防守的阿弥岭阵地后，又跟踪追击第29团至罗家冲、候家塘。此时，预备第10师第28团接战。日军另一路突破石马辅、雨花亭进至黄土岭、金盆岭一线。第28团在岳麓山重炮的支援下，在候家塘、黄土岭、东瓜山、修械所与日军反复拼杀，连伙夫、马夫也上阵御敌，击退日军10余次冲锋。
驻守南门外左家塘据点的预备第10师第29团曹健生营的全体官兵，从中午直到薄暮，顶着日机的疯狂轰炸和扫射，打退了日军一次又一次冲锋。营长曹健生负伤后，仍坚持指挥作战。最后，全营官兵全部战死，壮烈殉国。
到傍晚时分，日军仍未能完全突破预备第10师的第一线阵地，双方处于胶着状态。
一心想要在长沙过元旦之夜的丰岛房太郎，于18时30分急令师团直辖的加藤大队投入战斗。
这个大队素以擅长夜战而闻名，可以说是第3师团的一张“王牌”。
丰岛房太郎本以为靠着这张“王牌”偷偷潜入长沙，到时再来个里应外合，就可以攻进长沙。但他没想到，他的这支奇兵在冲到守军第二线阵地时就被缠住了。战斗至次日凌晨2时左右，加藤大队长带领三名副官，偷偷地穿过城外的房屋，越过守军兵营，欲潜入市内。岂知，当他们刚摸进守军的步哨线，加藤大队长就被隐藏在屋檐下的一名守军士兵射出的子弹击中了小腹。后虽拼死挣扎，但终究命归西天。另外三人中也有两人被击毙，只一人逃出。该大队为了夺回加藤的尸体，曾“反复进行了几次必死冲锋，但均未见效，反而使那些房屋燃起了熊熊烈火”。就这样，丰岛房太郎的“王牌”全军覆没。
在长沙东南侧和南门外的日军从傍晚起虽然又发起了数次冲锋，但仍无法攻进长沙。
整个晚上，丰岛房太郎都一直守在其指挥所内的电话机旁，等待着攻克长沙的捷报，期待着能够尽快地进入长沙，到长沙城里去欢度1942年的元旦之夜。可是直到午夜时分，他的士兵仍被挡在长沙城门之外。他的希望彻底地破灭了。
午夜降临了。1942年长沙城的元旦，在“隆隆”炮声中和激烈的喊杀中过去了。接下来，长沙城要面对的是更为残酷和惨烈的厮杀。
1月2日，激战的战斗仍在长沙城东门至南门一带继续着。