凌晨1时30分，城南打靶场的日军开始向邬家庄、小林子街进犯，与守军展开白刃肉搏战。守军寡不敌众，一个小时后，邬家庄与小林子街相继失陷。驻守黄土岭一带的预备第10师第30团阮营长闻讯后，立即带上本部官兵80余人，乘日军立足未稳之际，予以迎头痛击，从而一举夺回了小林子街与邬家庄的阵地。
3时20分，日军再次向邬家庄、小林子街发动攻击。第10军军部令预备第10师第29团留1个营坚守金盆岭、黄土岭附近阵地，余部在团长陈新善、副团长曾友文的率领下，增援邬家庄与小林子街守军作战。直到天亮前5时许，终于将日军赶出小林子街与邬家庄。然而陈新善、曾友文两人却在与日军的肉搏战中英勇献身。
天明后，双方继续厮杀。
第3师团第68联队第1、第2大队经过苦战进占西湖桥，尔后，两股日军分别向东瓜山、妙高峰冲击。东瓜山失守后又被第29团反攻夺回，后又得而复失。特别是争夺修械所的战斗非常激烈，刀砍棒击，肉搏拼杀，双方死伤甚众。据有人回忆：“修械所所在地的山头，南高北低，最北处有碉堡一座，敌人反复冲锋，终被击退。最后双方进行肉搏，场面十分惨烈，仅200米的阵地上，敌我双方的尸体达四五百具之多，打断的枪支，刺弯的刺刀，横七竖八，狼藉满地，双方死亡的兵员，尸身遍野。战斗之激烈，不堪言状。”
日军第18联队则相继攻占了左家塘、妹子山、识字岭、圣经书院等据点，随即分兵攻打浏阳门、小吴门。第3师官兵顽强固守，击退了日军数次进攻，守住了这两座城门。
据日方记载：这一天，日军第3师团第一线各部队在空军的配合下，“反复进行了以城墙为目标的突击”，但“重庆军的抵抗极为猛烈，到处展开了一进一退拼死的争夺战”。其石井部队对东侧城墙中央部分反复冲锋，“双方陷于混战，反复地展开了高层建筑物的争夺战”；其的野部队“冒着从牛头洲及湘江对岸射来的重炮的射击，向南门东西一线发起攻击”，与守军“一个据点一个据点地展开肉搏战”。战至黄昏，其第2中队的全体干部，“均伤亡于湘江河畔”。
傍晚时分，阿南惟畿在接到前线战报后，又令第6师团从长沙城东侧和北侧加入战斗。
阿南惟畿此次对于攻下长沙仍是胸有成竹。
与阿南惟畿的胸有成竹相比，薛岳此时更是胜券在握。因为他已获得了一份绝密情报。当预备第10师的官兵于1月2日下午全歼了在白沙岭民房内负隅顽抗的日军加藤大队后，在清扫战场时意外地发现了加藤大队长的尸体，并缴获了日军此次作战的计划和命令等文件。薛岳从这些文件中得知了日军各师团所在的位置和担负的任务，并得知其携带弹药的数目及其前线作战部队弹药已不足等重要情报。看完这些文件后，薛岳以少有的激动拍案大叫：“一纸虽轻，胜过万挺机枪也！”他立即将有关情况通报给各部队，令各集团按预定计划快速向长沙外围合拢，以达围歼日军的目的。
日军第6师团接到进攻长沙的命令后，其步兵第13、第22联队及独立第2联队于1月2日晚从洪山庙、湖渍渡渡过浏阳河，经德雅冲、伍家岭、开福寺向第190师防御阵地发起进攻。其中以杜家山争夺战尤为激烈。杜家山位于湖渍渡西岸(今动物园东南山)，是长沙城东北面的制高点。防守杜家山的第570团连续击退了日军10余次冲击。
经过第二天的血战之后，守城的第10军官兵伤亡较大，只好缩短阵地，退守第二线据点，与来犯日军展开更艰苦的第二轮搏斗。
1月3日，长沙城的守卫战进入了最艰苦的阶段。
黎明时分，日军第6师团从长沙城东北侧、第3师团从东南侧至南侧，连成一线，集中炮火，同时向长沙城的北门、东门和南门守军第二线阵地进行炮击。第9战区岳麓山的炮兵立即以炮火进行压制。由于日军炮弹已快用完，所以时间不长，其炮击便逐渐停止。但两个师团的步兵却发起了猛烈的冲锋。
守卫城北湘雅医院的第190师第569团团长符志豪打电话向师部告急，朱岳亲自督战兴汉门。
守卫东门外窑岭、识字岭一带阵地的第3师第7团团长张振国告急，师长周庆祥督战天心阁。在无兵增援的情况下，张振国亲自带了两名机枪手，封锁窑岭与识字岭之间的道路，才稳住了阵地。
守卫南门外黄土岭、乌岭冲、太乙寺一带阵地的预备第10师第30团团长葛先才告急，方先觉亲自往南门口督战。
在这一天，只有第190师第568团守卫的小吴门没有出现危急难支的局面。该团团长陈家堂曾毕业于军校工兵科，长于阵地守卫战。他在日军进攻之前，就在小吴门外的十字路口构筑了严密的工事，组成了强大的交叉火力网，封锁了敌人攻城的惟一通道；在其他支路道口，他也都砍伐街树、推倒危房、堆放了许多桌椅门窗，密密层层地加以堵塞。有些必经之路，洒上了大片粪便和污泥浊水，使敌人望而却步，无法包抄掩袭。所以，当各处告急时，惟独该团从容不迫，三挫敌人攻势。
这天上午，第73军第77师渡过湘江，增援第10军守城。
战至下午，日军没能取得更大的进展，双方仍处于胶着状态。