第二次作战，日军最初在制定作战计划时，为保密起见，将其称为“加号作战”，1941年9月29日，日军将其正式定名为长沙作战；中方将其称为第二次长沙会战。1941年9月19日，突破新墙河防线的日军沿黄市、大荆街、关王桥一带进逼汨罗江北岸，其第3、第6师团各一部则进至汨罗江南岸新市、颜家铺、浯口各附近。第5战区令第20军配合第4、第58军扼守关王桥以东、易水以北地区，从日军后方相机攻击；第10、第26、第74、第79军等由东南向西北侧击，歼灭突进汨罗江以南地区之敌。但第9战区下达作战命令的无线电报，被日军截获并破译，日军遂放弃“将主力用于湘江方面”的原定作战方针，决定在捞刀河以北地区捕捉歼灭第9战区军队。
20日，日军第3、第4、第6师团强渡汨罗江，并将正面逐次向东移动，企图包围汨罗江南岸守军的右翼；其第40师团沿关王桥、长乐街以东山地，经三枣桥向瓮江挺进。当时，汨罗江南岸第37军主力及第99军主力并列守备神鼎山、鸭婆山一线阵地，第26军正向瓮江挺进。
24日，第37军阵地被日军突破，日军第4、第3、第6各师团，跟踪第37军向栗桥、福临铺、金井进迫，并攻击第10军阵地。25日，第10军阵地多处被突破，遂与第37军一起向捞刀河南岸转移。是日，第26军在蒲塘地区被日军包围，陷入苦战，后向更鼓台、石湾方向突围。
26日，第74军由万载到达长沙东面的春华山附近，先后与日军第3、第6师团及第40师团一部遭遇，双方展开激烈的厮杀，均有不小的伤亡。28日，第74军向普迹以东撤退。
27日，日军第4师团一部从枫林港、早渊支队从水渡河渡过捞刀河，继而又有一部渡过浏阳河。奉命由湘西增援的第79军第98师及由广东增援的暂编第2军暂编第7师，在长沙东郊与渡过浏阳河及捞刀河之日军第4师团和早渊支队发生激战。当日下午，日军早渊支队一部自长沙城的东北角冲入城内；当晚，早渊支队全部进入长沙城。28日，日军第4师团主力渡过浏阳河并于次日开进长沙，第3、第6师团在永安市附近击退第74军后，向株洲方向突进，其一部冲入株洲。
在此期间，日军第34师团及独立混成第14旅团主力分别于9月26日向赣北武宁及高安地区进攻，与第30集团军及第19集团军之各一部发生战斗，10月1日前后被迫退回原阵地。
日军占领长沙后，认为已达成战前预定的“严重打击”第9战区主力之作战目的，加之日军经连日作战，粮弹消耗很大，后方供给线又被切断，遂决定结束作战，并于10月1日开始撤退。
10月2日，第9战区军队转入追击和拦截，给日军一定杀伤。10月5日，日军北渡汨罗江继向新墙河以北退却。6日，第9战区追击部队渡过汨罗江，8日越过新墙河。至10日，双方阵地又恢复到战前状态。
第二次长沙会战结束。
第二次长沙会战由于第9战区指导的失误，致使日军一度攻占长沙，并追击到株洲，基本达成战役目的。国民党军队在此次会战中伤亡及失踪近7万人，日军伤亡2万余人。