1941年12月8日太平洋战争爆发。同日，驻广州的日军第23军进攻香港。日军第11军为牵制第9战区抽调部队南下，策应香港方面的作战，决定第三次向长沙方向发动进攻，企图在汨罗江两岸歼灭第9战区主力。
此次作战，日军使用于湘北主作战方面的兵力为第3、第6、第40师团和独立混成第9旅团以及独立混成第18旅团野口支队、外园支队等，另以第1飞行团支援作战。同时命令驻南昌方面的日军第34师团、独立混成第14旅团一部向赣北上高、修水等地攻击，策应湘北方面作战。12月中旬，日军主力开始向岳阳方向集结。
第9战区根据前两次会战的经验教训，拟定了彻底破坏道路，在中间地带空室清野，设置纵深的伏击地区，诱敌深入，将敌围而歼之的“天炉战法”。据此，第9战区决心集中兵力于湘北方面，诱敌主力于捞刀河、浏阳河之间地区，反击而歼灭之。具体部署是：
第27集团军指挥第20、第58军，于新墙河现阵地强韧抵抗，尔后待命转移至关王桥、三江口侧面阵地，侧击南进之敌。第37军在汨罗江现阵地强韧抵抗，尔后转移至社港市、金井间山地，攻击南进之敌；第99军确保三姐桥、归义、营田、湘阴既设据点阵地及湖防，尔后夹击进攻长沙之敌；第10军守卫长沙。
第19集团军指挥第26、第79军等部作战。第26军第一步确保浏阳现阵地，尔后俟敌攻击长沙时，自东向西攻击敌军；第79军以1个师驻株洲，1个师占领渡头、东山既设阵地，第194师由清江进驻醴陵，俟敌攻击长沙时，由南向北攻击敌军。
第30集团军确保平江、三角塘一线阵地，尔后俟敌进攻长沙时，协同第37军自东北向西南侧击敌军。第73军驻宁乡、益阳，为战区预备队。
另外，新编第3军、预备第5师、江西保安纵队等部守备高安、武宁一带现阵地，掩护战区主力之右侧。湘鄂赣边区挺进军总指挥王劲修指挥所部切断崇阳、蒲圻、咸宁一带敌公路、铁路。
12月24日傍晚，日军向新墙河南岸守军阵地发起全线攻击，并于晚上渡过新墙河。随后，以一部围攻守军据点，主力分向大荆街、关王桥之线突进。第20军奉令以一部坚守新墙河以南据点，主力向大荆街转移。第58军进出洪源洞、大荆塘之线，侧击南进日军。
在赣北方面，日军第34师团与独立混成第9旅团各一部，于12月25日，分由安义、箬溪等地向西攻击，先后占领高安、武宁等地，但在守军奋勇阻击下，于1942年1月6日前后，退回原防地。
26日，日军第40师团猛攻第20军阵地，陷关王桥及陈家桥；日军第6师团围攻守军黄沙街、龙凤桥据点；第3师团主力于当夜推进至归义附近汨罗江北岸。是日，第9战区命令第20军及第58军进攻长乐街之敌，令第37军及第99军主力固守汨罗江南岸阵地，阻敌渡河。
28日，日军第6、第40师团分别在新市、长乐街附近强渡汨罗江，被第37军阻止。日军第3师团主力在归义以西渡过汨罗江，第99军主力被迫后退至牌楼铺、大娘桥、新开市之线，逐次抵抗。第37军第140师由金井向新开市北侧地区驰援，阻敌东进，但受到日军第3师团从左侧的威胁，日军第6、第40师团乘势在新市及长乐街附近渡过汨罗江南进。入夜，第37军扼守新开市亘汨罗江南岸之线，与日军激战。第99军主力在营田、大娘桥之线与日军第3师团棽慷灾拧? 29日，日军第11军司令官阿南惟畿改变原定计划，独断地下达“以主力向长沙方向追击”的命令，令第3师团迅速向长沙攻击；第6师团以棽抗セ鞒ど常髁セ鞒ど骋远世媸校坏?0师团主力向金井进攻。
30日，在第37军与日军主力激战于新开市、鸭婆山、浯口一带之际，第27、第30、第19集团军分别到达浏阳、平江棿ざㄎ恢谩５?战区决心在长沙地区与日军决战，遂令第10、第73军固守长沙；令第19、第30、第27集团军及第99军主力，分由株洲、浏阳、更鼓台、瓮江、清江口、三姐桥各附近，以长沙为目标，自南、东、北三个方向作求心攻势。
31日晨，日军第40师团猛攻第37军阵地；激战至午，第37军转移至金井东北山地，日军第40师团主力向金井突进。日军第6师团乘第37军向东转移由福临铺向朗梨市突进，第3师团乘夜在东山附近强渡浏阳河进抵长沙近郊。第9战区以日军已逼近决战地区，遂令各集团军于1942年1月1日子夜开始攻击前进。
1942年1月1日，日军第3师团开始向长沙东南郊第10军阵地发起进攻。2日，日军第6师团集结于朗梨市；傍晚时分奉命从长沙城东北方面加入战斗，协助第3师团攻打长沙。当日，第10军坚守长沙城郊阵地，在岳麓山重炮火支援下，击退了日军的反复突击，并将突入白沙岭的日军第3师团一部歼灭。第9战区令第73军以第77师渡湘江进入长沙，增援第10军守城作战。此时，处于外围的第9战区军队正隐蔽地从三面向长沙推进。
3日，日军第6师团与第3师团合力猛攻长沙。激战竟日，日军攻势屡兴屡挫，弹药将尽，而补给线已被切断，日军开始空投补给。第9战区各包围兵团，继续压缩包围圈，已逼近长沙。
在攻击长沙不逞，背后又出现包围的情况下，阿南惟畿被迫于3日晚下达了全军“反转”命令。