日军进入衡洲城。
第二次长沙会战结束后，第9战区上下都进行了长时间的检讨，总结有关的经验教训。
11月17日，薛岳在长沙召开战区官兵代表会议，就有关训练、作战等问题做了指示。
前两次作战，日军基本上都是长驱而入，随后又全身而退。第9战区的部队虽然给了日军以一定打击，但相比之下，第9战区部队本身的伤亡更多，损失更为惨重。这让薛岳对日军的作战能力有了更为清醒的评估，同时，也加深了其对消灭对方有生力量重要性的认识。
另外，对于如何对日军进行逐次抵抗，如何切断其退路，怎样选定决战地区等问题，前两次作战处理得都不够妥当，这也是薛岳自第二次长沙会战结束后一直在考虑的重点问题。
薛岳认为，在敌我双方军事装备和综合作战能力相差悬殊的情况下，一味采取硬打硬拼，“与阵地共存亡”的战术，并不策略。那样，往往会造成被动挨打的局面，并为日军所包围歼灭，只会付出无谓的牺牲。而为了诱敌深入采取直线后退也不是好办法。因为，日军的机械化部队多，骑兵多，跑得快，第9战区部队在后退时，很容易被日军追上；同时，部队一旦直线后退，就很难再站稳脚跟，这样，反而会冲乱己方后线阵地，从而造成一种不可收拾的溃退局面。
在经过长期反复考虑后，薛岳在这次会上提出了号称“天炉战法”的一整套作战方案。对此，薛岳在回忆第三次长沙会战时曾这样说道：
自第二次长沙会战之后，最高统帅蒋公即亲莅南岳，召集各军、师长剀切训示今后作战方略；11月17日，余复集全战区官兵代表于长沙，举行会议，谆谆嘱以战胜决于平时，故平时应视如战时，操场应视如战场。且本既往所得之经验教训，创“天炉战法”。天炉战者，为在预定之作战地，构成纵深网形据点式阵地，配置必要之守备部队，以伏击、诱击、侧击、截击、尾击、堵击诸手段，逐次消耗敌力，挫其锐气，然后于决战地使用优越之兵力，施行反击及反包围，予敌以歼灭打击。盖为后退决战方法，因敌之变化而变化之歼敌制胜新方略，如炉熔铁，如火炼丹，故名。
具体来说，薛岳“天炉战法”的指导思想就是：当日军发起进攻时，第9战区的部队在保存自己的情况下，节节抵抗，节节后退，尽量地拖累和疲耗敌人，达到这一目的后，便自动向斜侧后方山地撤退(不是直线撤退)，绕到敌人的包围线外面去，从更大的层面上形成对日军的反包围，砌成两面“天炉之壁”。同时，在中间地带，彻底地破坏交通道路，空室清野，诱敌至决战区域，而断其后路，从四面八方构成一个天然“熔炉”，最后将包围之敌予以歼灭。
当年的中国战史出版局还曾专门出版了薛岳撰写的《天炉战》一书。书的前言有这样一段文字介绍：“他（指薛岳）的战略战术足以法天地之幽邃，穷宇宙之奥秘，为鬼神所惊泣，人事所难测，无以名之，故曰《天炉战》。”虽然未免说得过于玄虚，不过，从当时各方面的条件来看，薛岳这次的作战指导方案显然要比前两次更加合理。
根据“天炉战法”的要领，第9战区在进一步研究了以往的作战经验和阵地地形后，决定以新墙河为第一道防线，汨罗江为第二道防线，长沙城外的捞刀河与浏阳河之间为第三道防线。前两道防线主要是伏击区和诱击区，第三道防线才是决战地区。
形成了完整的作战方案后，薛岳令各部队做好相应的作战计划；同时，下令实行全民总动员，破坏道路，向水田蓄水，组织战时民工队等，全面加强战备。
傍晚，日军在雨雪交加中向新墙河南岸守军阵地发起了攻击。
当时，防守新墙河南岸阵地的只有第27集团军第20军1个军。因为，薛岳并不准备在新墙河一线与日军大打。第20军的主要任务是阻敌，尽可能地耗损敌人的力量，疲劳敌人，顿挫敌人进攻的势头，延缓日军南下的步伐。
第20军属川军，军长杨汉域，四川广安人，从云南讲武堂毕业后，一直在川军中任职，于1938年担任第20军军长。该军只有两个师的编制，而在新墙河北岸集结的日军有3个师团。以两个师的兵力要完成阻击装备优良的3个师团的日军10天的任务，其困难可想而知。
但第20军没有临阵退缩。为了完成阻敌任务，杨汉域要求守军各部在占领阵地时，做到据点工事与野战工事同时占领，以据点工事为骨干，加强野战工事的纵深配备。在使用兵力时，各部应以一部兵力置于连排据点，尽力抵抗；以一部占领野战工事，利用阵地纵深逐步抵抗，将主力放在最后一线阵地，机动使用。作战时，敌人若向据点工事里的守军攻击，野战工事里的守军应立即进行火力支援，或适时派部队反击；若敌人向野战工事里的守军攻击，据点里的守军应即以火力向敌人射击，或者离开据点向敌尾击。各部主力此时应乘敌混乱之际，不失时机地对敌反击，消耗敌人。经过逐步抵抗，到最后一线预备阵地给敌人以重大杀伤后，再向侧面阵地转移，向敌侧击、尾击。
实践证明，第20军的这种打法还是比较符合战场实际的，并有效地延缓了日军南下的步伐。
25日，已经渡过新墙河的日军3个师团，在稍事休整之后，又分东、中、西三路，向守军第二线阵地发起进攻。
这时，杨森一面令第20军向斜后移动，一面令第58军进入阵地，与第20军互相配合，协力迎击日军，双方在汨罗江北岸又一次展开了激烈的拉锯战。
当时，雪越下越大，气温也越来越低，而守军许多士兵连棉裤都没有，有的竟被冻死在战壕内。但活着的士兵，仍坚守阵地，没有贪生怕死之辈。
守卫傅家桥据点的第20军第398团第2营营长王超奎少校及其部属，面对日军猛烈的炮火，毫不畏惧，打退了日军一次次的冲锋。后王超奎为掩护部属突围，在与日军肉搏中不幸殉国。
守卫洪桥据点的第398团第3营一部，在副营长、连长相继阵亡的情况下，仍坚守阵地。
第397团全团官兵在黄沙街硬是顶住了日军第6师团整个师团的进攻，并迫使其绕道而行。
激战至27日晚，第20军完成了阻敌任务，薛岳令第27集团军全线撤退。随后，第20军向梅仙、平江方面转进，隐蔽休整，随时骚扰日军后方，待机袭击其侧翼；第58军向汨罗江东南部转移，靠近向家、金井，准备切断进攻长沙的日军的后路。
