湘北大捷，中国军队搜索城内残敌。
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。
4日，长沙城外日军再次发起全线攻击，但在守军的顽强抵抗下，又一次受挫，日军第3、第6师团于4日晚乘夜色脱离战场，由长沙城外分别向东山、朗梨市撤退。
第9战区在获知日军退却后，立即命令原准备在长沙附近合围日军的部队改为堵击、截击和追击日军，力争在汨罗江以南、捞刀河以北地区将其歼灭。
5日，日军集中第1飞行团飞机50余架，掩护其地面部队退却。第6师团由于不是第9战区围歼的目标，因而所受拦阻较第3师团少一些，并较快地退到了朗梨市；第3师团开始退却时，在长沙东南郊金盆岭、清水塘、石马铺一带，被第4军截击，伤亡惨重；退至东山附近时，又遭第79军截击，被迫沿河堤退往朗梨市，随第6师团之后，在该地渡过浏阳河，撤到浏阳河东岸。
6日，日军第3、第6师团从朗梨地区继续向北撤退，遭第26军及第79军的截击，死伤甚多。7日夜，该两部日军突围退至捞刀河北岸；日军第40师团于当日由春华山经罗家冲向学士桥退却。8日，日军各部由捞刀河北岸继续北退，沿途屡遭第9战区追击部队拦截、侧击。9日，日军主力在其独立混成第9旅团的策应下，由福临铺北撤，并于12日前后相继渡过汨罗江。第9战区各追击部队跟踪追至汨罗江南岸，并以一部渡过汨罗江向长乐街以北进行超越追击。15日，日军退过新墙河，固守原阵地，第9战区所部一面扫荡新墙河以南残敌，椕嫦蛐虑胶右员弊坊鳌Ｖ？6日，恢复会战前原态势。
第三次长沙会战结束。
这次长沙会战，是太平洋战争爆发后日军在中国正面战场发动的第一次大规模进攻作战。由于第9战区部署得当、协同密切，作战得力，从而取得了此次会战的胜利。此役共毙伤俘日军5万余人，这在历次会战中都是罕见的；第9战区损失2.8万余人。
