背景
第三次長沙戰役的中國士兵中國第9戰區司令薛岳推斷日軍目標為長沙城，因此作戰規劃以長沙城為中心命令部隊逐步後撤至長沙周邊吸引日軍追擊，後撤時沿途破壞道路及配置伏擊兵力分割包圍日軍，最後以大兵力反包圍小股日軍達到作戰企圖，這種以人數與地形做為憑藉的後退決戰規劃稱為天爐戰法。
參戰兵力
1941年12月24日，日本第十一軍出動12萬兵力從湖南新牆河南進，第三次長沙戰役（第三次長沙會戰）開始。長沙守軍由薛岳將軍布置兵力，第十軍李玉堂駐守長沙市區，並在嶽麓山布置重炮兵旅。中方第四軍、七十三軍、七十四軍以及九十九軍等參加長沙會戰，總兵力30萬。會戰形勢
第三次長沙會戰中繳獲的日軍武器1942年1月4日，中國軍隊在長沙包圍攻城的日十一軍。阿南惟幾仍然錯誤命令繼續攻打長沙，從而在既無援兵又無補給的不利情況下，最終只好強行突圍。從汨羅河到新牆河80公里，日軍在空軍不斷空投的補給下狼狽逃走，損失非常慘重。1月6日，日軍退回新牆河北岸，會戰以中方勝利結束。
中方的統計，中國軍傷亡28116人，殲滅日本軍56994人。日方的統計，日軍傷亡6000餘人。第三次長沙會戰是同盟國自珍珠港事件爆發以來第一場大勝，其戰果甚比台兒莊戰役更輝煌。蔣介石認為這是抗戰以來的最得意之作。同時也大大提高了同盟國的士氣，以及中國軍隊的奮勇形象。
外圍攻防戰
1941年12月24日，阿南惟幾下令進攻長沙，當天日軍第6師團與第40師團開始自新牆河渡河，且利用夜襲與炮擊輾壓守軍防線。第3師團與澤支隊則在25日早上發起攻擊。24日傍晚恰逢寒潮過境，湖南經歷少見的低溫和大雪，氣溫從12攝氏度下降至攝氏零下5度，氣溫遽降不只造成進軍困難，也讓日軍架橋與渡河都因此延遲；經過2天1夜激戰後，防守新牆河的國軍第20軍和第58軍遭日軍采燃燒彈破壞防禦工事，以致傷亡過半。發動攻勢的第三天（12月27日）下午，新牆河防線大致遭到瓦解，日軍則繼續南下朝汨羅江防線推進，而守新牆河的國軍則按照預定轉移至汨羅江二線陣地和兩側山區轉移。1941年12月26日，先行挺進的第6師團已經開始準備向其前進道路上的第二條河流—汨羅江進行渡江作業。27日，第三師團也開到汨羅江；此時國軍防守汨羅江的是第37軍、99軍和從新牆河撤下的58軍，而第20軍則在平江和平江以北地區布防，中國軍隊的防線呈現“倒八字”陣型。日軍將攻擊重點放在長樂街方向以求儘快推進，日軍依靠強大的炮火優勢和空軍支援不到3日即突破了汨羅江陣地，防守的第20軍向東轉移至山區，第37軍和第58軍則向高橋一帶和汨羅江、撈刀河之間轉移。
12月29日，日軍第40師團完成橫渡汨羅江之作業；然而12月30日晚上，40師團所轄的後勤部隊－輜重第40聯隊遭到國軍夜襲，聯隊長森川敬宇中校戰死。這個不算起眼的損失讓40師團前線部隊在後勤上陷入險境，也為會戰後期40師團提早撤退埋下伏筆。
由於汨羅江大部地區以南原本就是田野，外加雨雪天氣導致道路泥濘不堪，而湘北地區的百姓又早就把可以通行的大路大為破壞，導致日軍渡過汨羅江後諸如坦克和重炮等機械化裝備不僅很難推進反而成為累贅。原本依據先前的計畫，日軍此次長沙作戰之“牽制中國軍隊以策應香港作戰”的原先計畫已經達到應當撤退。但日軍到經過約一周的激戰順利推進至長沙城外，這一戰局得阿南惟幾十分興奮，認為此次可以攻占長沙以雪之前未勝之恥，因而繼續命令部隊向南攻占長沙。然而，中國軍隊在湘北作戰區讓開正面向兩翼撤退本身就是按薛岳“天爐戰法”的預定計畫，誘使日軍往“爐底”長沙城的重要環節之一。
長沙城攻防戰
長沙城位於湘江東岸，隔江對岸的嶽麓山是俯瞰長沙全城的制高點，原有的城牆早已拆除。日軍為迅速接近長沙城的核心以儘快攻下長沙，並沒有採用逆湘江而上先占嶽麓山制高點的進攻路線，而是把湘江東岸作為攻擊重點方向由正面進攻。第九戰區防守長沙的是李玉堂所部第十軍，這支部隊在先前第二次長沙會戰中曾因作戰不利而遭國軍統帥部嚴厲批評，軍長李玉堂也被撤職，僅僅因為暫無接替人選而暫時留任，因而此戰對於李玉堂和第十軍而言都是“哀兵之戰”，李玉堂也立誓守住長沙以洗刷上次戰敗之恥並得到上方首肯，第十軍的官兵也士氣高漲喊出了“守住長沙，要回軍長”的口號。第十軍部隊和長沙居民協力在長沙城內布置了周密的防禦體系，在城郊，守軍工事採用地堡式，依託西面的湘江，對其餘各個方向呈半圓形，外圍工事由麻園嶺—朱家花園—杜家山—二里碑—黃土嶺—妙高峰—猴子石的連線，逐層向城市核心構築，且逐層加大密度和強度，以中山西路—黃興路—八角亭—南正街—坡子街這一線的核心工事最為堅固。在長沙城內幾乎所有主要道路設定鐵絲網和地堡，較大體積的建築物都布置有火力點。為防止日軍從湘江水路迂迴，第十軍把長沙南北兩側湘江水域都用水雷進行封鎖。在湘江對岸嶽麓山國軍布置炮兵對城內守軍進行火炮支援。12月31日至1月2日
國民革命軍第十軍在長沙城內與日軍進行激烈巷戰
1941年12月31日日軍的第3、第6和第40這三個主攻師團分別進抵長沙城外，並依據計畫分別從北、東、南三個方向向長沙發起進攻。1942年1月1日，日軍攻勢更加猛烈，喊出了“到長沙城過元旦”的口號。日軍和國軍第十軍的主力—方先覺所部預10師首先在長沙南郊的金盆嶺至猴子石一線附近展開激戰，所部29團依託陣地和迫擊炮奮力抵抗，日軍也毫不示弱在飛機和火炮掩護下向守軍陣地發動了多次猛烈衝鋒，戰至上午10點，陣地被日軍攻占。日軍隨後推進至由第28團防守的二線陣地，28團團長葛先才率部奮力抵抗一步不退，日軍進攻受阻便將主攻方向改向東面和北面，並成功攻占了東郊和北郊的全部陣地，僅有預10師的陣地仍然未被攻占，28團團長葛先才因戰功而被國軍統帥部破格提升為“少將團長”。
元旦過後，日軍攻勢趨於猛烈，長沙形勢吃緊，薛岳身邊不少參謀人士均勸薛岳將指揮所搬至後防安全地帶均被薛岳拒絕，薛岳堅持將指揮所設定在長沙城邊的嶽麓山就近督戰，同時薛岳發布遺囑電報“如戰區司令長官殉職，則以副司令長官羅卓英代行其責”並嚴令第十軍“固守長沙，不得退縮”。擔任守城主力的預10師師長方先覺也給妻子準備好遺書，誓與長沙共存亡。1月2日，日軍憑藉強大的火力優勢繼續向長沙市區發動猛攻，中國守軍按計畫退守第二線陣地，其中以修械所一帶的戰鬥最為激烈，日軍是一支用“武士道精神”武裝思想的部隊，官兵訓練有素、紀律嚴明，軍事素質過硬，戰鬥意志堅強，對國軍陣地發起了以營為單位的集團式衝鋒，將28團固守的冬瓜山陣地攻占，下午，第29團發起反攻，將陣地收復。原本位於第三線防禦陣地的第30團主動出擊支援二線友軍發起了對日軍的突襲。當日，第十軍部隊協同在白沙嶺地區殲滅突入長沙市區的日軍加藤大隊並擊斃大隊長。國軍士兵從該名大隊長身上搜得獲得重要機密檔案，大意為：“日軍彈藥匱乏，補給告急”，薛岳獲得該情報後，興奮地說：“有此情報，勝過千軍萬馬”，於是薛岳根據戰前部署和敵我雙方態勢開始部署後續對日軍的圍殲計畫。
1月3日至1月5日
第三次長沙會戰中雙方倚靠在殘垣斷壁進行激烈巷戰
1月3日，長沙城內的戰鬥趨於白熱化，日軍兩個師團在火力掩護下集中兵力發動步兵強攻，先後攻占了守軍二線陣地中的開福寺和陳家山，戰至下午4時，日軍第3師團工兵營攻入長沙市中心，李玉堂立刻令所部另一個主力師第190師進行封鎖和阻擊，日軍工兵擅長攀上爬下於守軍對制高點進行了激烈爭奪。此時，預10師師長方先覺認為，若二線陣地被日軍突破就只能據守城垣，因此必須清除城垣前的射擊障礙，於是下令將妙高峰下的長街全部焚毀。就在長沙城內中日兩軍進行近身肉搏戰之時，湘江對岸嶽麓山上的炮兵利用地形上的絕對優勢，對城內的日軍進行了猛烈的炮火打擊，使攻城日軍傷亡很大。
1月4日，日軍再次對長沙市中心發動全面猛攻，雙方在國貨陳列館和湘雅醫院等重要位置進行了反覆爭奪均有不少傷亡，嶽麓山炮兵則依靠東北風的有力風向繼續對日軍進行打擊。經過數日的激戰，第十軍傷亡已接近三分之一但仍舊士氣不減繼續與日軍進行逐屋逐巷的爭奪。此時，薛岳正在調兵遣將準備圍殲長沙城內日軍，而阿南惟幾既不知曉己方情報已被截獲，也不知道中國軍隊正從各個方向前往長沙準備反攻，依舊命令所部儘快攻下長沙城。入夜，中國軍隊已經到達日軍背後對日軍形成夾擊，然而此時阿南惟幾仍未下令立即撤退仍固執欲要攻占長沙，日本國內甚至還發表了“日軍已經占領長沙”的訊息。次日，時任十一軍的參謀長木下勇少將和其他參謀都認為若再不撤退就可能導致不堪構想的後果，於是全體力勸阿南惟幾立刻下令撤退，阿南惟幾於是下令部隊向東山等方向撤退並在撤退時發起最後進攻以作掩護和隱蔽，日軍攻占長沙的計畫宣告失敗
