3、湘北作战。集结于岳阳地区的日军第6师团与奈良支队，从9月18日起向新墙河北岸守军阵地发起进攻，守军第52军奋力抗击。23日，日军在炮兵、航空兵协同下，并施放毒气，强渡新墙河。同日，上村支队一部在洞庭湖东岸鹿角登陆，主力则迂回汨罗江口以南，在营田登陆，突破第37军第95师阵地，继续向东南突进，企图切断粤汉铁路和长沙、平江间公路。
25日，第52军主力向汨罗江南岸转移。日军第6师团、奈良支队跟踪南进，迫近汨罗江北岸，一部伪装难民，偷渡汨罗江，袭占新市。上村支队一度攻占归义，后被第70军反击克复。26日，日军猛攻汨罗江南岸，激战竟日，但未能突破守军主阵地。此时，日军第33师团仍被第20军顽强阻击于幕阜山福石岭地区，日军围歼第15集团军于汨罗江畔的计划破产。
27日，第9战区按照在长沙地区与日军决战的计划调整部署：以第2、第25、第59、第60、第77、第195师共6个师，埋伏于福临铺、上杉市、桥头驿地区和长沙及其以东地区；第70军转移至浏阳河以南株洲、渌口市等地，沿湘赣铁路和渌水布防；第4军占领湘潭、下摄司、渌口市之线；第79军1个师确保幕阜山根据地，2个师协同第20军攻击桃树港之日军第33师团。
9月28日，日军奈良支队经瓮江向平江迂回，准备策应其第33师团作战。日军第6师团、上村支队则由汨罗江畔开始分路南进。上村支队在三姐桥、栗桥陷入第77师伏击圈。第6师团一部1000余人在福临铺遭第195师伏击，受到重创。29日，由新市经金井南下的日军第6师团一部3000余人又在石门痕遭到第195师的伏击。30日，第25、第60、第195师分别向永安市、上杉市、石门痕日军猛烈反攻，日军已无力再南进。
冈村宁次见其主力方面不断遭到伏击、侧击和夹击，意识到战场态势日益不利，遂于29日下令撤退。
10月1日，进至永安市的日军首先向捞刀河以北撤退。2日，第15集团军各部开始追击，当日克复上杉市。3日，第25、第195师追击到达福临铺、金井附近。4日，又克复汨罗、新市等处。至9日，第195师进占鹿角、新墙、杨林街之线，日军陆续退回新墙河以北地区。至14日，双方恢复战前态势。
至此，第一次长沙会战结束。
此次作战，日军集中兵力10万之众，劳师南征，未能达到歼灭第9战区第15集团军的作战目的，各路均遭到有力的阻击、侧击，部分日军陷于包围，损失惨重。日军在会战前期，攻势行动艰苦；在会战后期，于对方反击下匆匆撤退，士气大受影响。此次会战，日军伤亡达2万余人，国民党军队伤亡3万余人。