一九四四年六月，注定是一個血腥之月。
豫中會戰結束後，日軍立即向湖南方向集結，其兵力之龐大令人震驚。
侵占華中地區的日軍第十一軍司令官橫山勇，自一九四三年十二月結束常德作戰進入對峙狀態後，便再沒有進行大規模作戰的計劃，原因是常德會戰期間他已接到命令，他的部隊將被調出中國戰場：第三師團去澳大利亞北部改隸第二軍；第十三師團調往西太平洋的塞班島、關島和提尼安島，劃歸海軍第四艦隊作戰序列。兩個師團派出的先遣設營小組已經從漢口出發了。同時，第三十九師團也將調出，作為日軍大本營的戰略預備隊。為彌補兵力的巨大缺口，第十一軍從其餘各部隊抽調人馬，在當地編成了獨立步兵第五、第七旅團，分別接替荊州和南昌方向被調走師團的防區。就橫山勇而言，他有限的兵力能守住現有防區就不錯了。但是，轉入一九四四年，大本營決定發動打通中國大陸交通線的作戰後，第十一軍奉命承擔粵漢鐵路沿線的作戰任務。
打通中國大陸交通線的目的，日軍在發動豫中會戰前就已明確，只是隨著戰局的發展，這一規模龐大的作戰變得更加急不可待了。就日本方面來說，沿著中國南北交通線發動的作戰，已不僅涉及未來東南亞兵敗之後數十萬陸軍如何轉退的問題，更是出於對盟軍利用中國大陸向日本本土實施攻擊的日益加劇的恐懼：“鑑於目前戰局的形勢，來自中國大陸的美空軍必將對帝國本土進行轟炸。因此，制止駐華美空軍的頻繁活動，實為當務之急，希望堅決以摧毀敵空軍基的作為重點。”“桂林是摧毀敵機場的最重要的目標，必須下決心一舉攻下長沙、衡陽、桂林。”
在日軍大本營的作戰策劃中，竟然還有一個更加令人匪夷所思的縱貫大東亞鐵路的計劃：“從釜山（朝鮮南半島南端）出發，經奉天、北京、漢口、衡陽、進入桂湘鐵路，復經桂林、柳州、諒山（越南北部），從法屬印度支那抵達泰國曼谷，縱貫馬來半島，直至新加坡，長達七千九百四十四公里（如繞行泰國、柬埔寨的金邊時，為九千一百六十四公里）。在這約達八千公里的長距離之中，設想需要新鋪設的地段為京漢線南段（黃河南岸——長台關間為二百九十八點七公里）、南寧——諒山間（約二百公里）、安義省東部——公博哇丕間（約四百公里），總計約九百公里。”——很難說日本當權者的思維還是正常的，這一瘋狂的臆想只能出於肆無忌憚的狂妄。
眼下，僅僅為了打通中國大陸交通線，日軍就必須在河南作戰後立即開始沿粵漢路、湘桂路的作戰。在這個被稱為“一號作戰”的預案上，日軍所動用的兵力數量令人難以置信：調集第三、第六、第十三、第二十七、第三十四、第三十七、第四十、第五十八、第一一六共計九個師團，再加上半個坦克師團、五個獨立砲兵聯隊、兩個獨立工兵聯隊、兩個飛行團、一個獨立騎兵聯隊，共同擔任進攻任務；另以第三十九師團，獨立混成第十七旅團，獨立步兵第五、第七、第十一、第十二旅團，再加上第一、第二、第五、第九、第十野戰補充隊，用來補充傷亡並警備後方。以上兵力共計三十六萬二千餘人，並配有六萬七千匹戰馬、九千四百五十輛汽車、一千二百八十二門火砲以及二百八十架作戰飛機。如果加上豫中會戰時已經使用的兵力，日軍為打通中國大陸交通線的作戰，投入總兵力高達五十一萬人，馬匹約十萬，炮一千五百門，汽車一萬五千輛。 ——“這對於日本陸軍來說，是史無前例的。中國派遣軍自中國事變爆發以來，雖然在華北進攻作戰、徐州會戰、攻占武漢等大規模野戰中取得不少經驗，但也不能和'一號作戰'相比。其規模和兵力相當於一九四二年只有計劃而未實現的'五號作戰'（重慶攻略戰）。”而日軍大本營之所以還能調集如此眾多的部隊，與日本政府和蘇聯政府簽訂《蘇日中立協定》有關。日本陸軍的精銳部隊關東軍，長期屯兵中國東北中蘇邊境線。 《蘇日中立協定》簽訂後，近八十萬的關東軍可以調入關內了。
日軍大本營在其戰爭頹勢已無法逆轉之日，不惜動用除太平洋和東南亞戰場以外的眾多兵力來打通中國大陸交通線，這一癲狂之舉至今仍令史家不解：在國力和軍力都已捉襟見肘的境況下，孤注一擲地投入如此大的財力、物力和兵力，於整個戰爭來講軍事戰略上的可靠依據是什麼？即使此次貫穿作戰全盤胜利，中國大陸的交通線打通了，甚至那條長達九千公里的鐵路線也通車了，難道就能將日本從戰爭的泥潭中拯救出來？況且，大規模的攻勢作戰結束以後，日軍將要投入多少兵力和物力才能守住這條交通大動脈？在沿途全部是敵對力量的環境中，日軍怎樣才能確保如此漫長的交通線的任何一處不被截斷或是不被破壞？
縱貫中國大陸南北實達一千五百公里。如細分一下作戰距離：黃河、信陽間約為四百公里，岳州、衡山間約為四百公里，衡陽、廣東間約為六百公里。在這中間，要擊敗超我數倍的蔣介石所屬全部野戰軍的半數，進行貫穿作戰。同時，還要克服在敵方制空權下的許多艱難。而且這一作戰，又是為了日本整個戰局的要求斷然進行的，不要說增加兵力，就連重要裝備的補充，都必須大大壓縮。此外，隨著太平洋及西南方面戰況的進展，過去熟悉對華作戰的優秀士兵，大部分相繼被抽調出去，不得不增添許多訓練期短、缺乏實戰經驗而又裝備不良的新編兵團參加這一作戰。
唯一可能的解釋是：日本人認為中國是他們的永久佔領區，如果在盟軍的打擊下失去太平洋和東南亞戰場，未來日軍與盟軍決戰的戰場決不是在日本本土而是在中國。可實際上，關於在中國大陸與日軍決戰這一點，精明務實的美國人認為是非常不合算的，因為美國並沒有侵占中國的意圖，也沒有在中國獲取權益的打算。美國人的最終目的是把日本打敗，然後在太平洋地區獨享其長久權益。因此，從海上直接攻擊四面都是大海的日本本土豈不是最合理的途徑？日本人把中國當成日本的一部分，這種感覺經過了七年的戰爭，在敗局已經日漸明顯的時刻依舊如此，日本人的思維方式實在令人費解。只是，也有尚存冷靜的日本人：“這是一場具有消極目的的作戰。”——“消極”二字，指的是被動的、被迫的、缺乏積極目的的狀態。那麼，傾巢出動進行一場目的消極的作戰，這只能意味著日軍知道末日已近，只不過希圖抓住最後一根稻草。
進入六月，日本海軍和陸軍的悲慘呼號，飄蕩在硝煙瀰漫的太平洋海面上以及烈焰熊熊的島嶼叢林上空。美軍在太平洋艦隊總司令尼米茲的指揮下，對小澤治三郎指揮的日本海軍第一機動艦隊和角田覺治指揮的第一航空艦隊以及駐紮在太平洋諸島上由小畑英良指揮的陸軍第三十一軍，發動了名為“徵糧者”的毫不留情的兇猛攻勢。美軍要徹底殲滅日本駐守在太平洋西部馬里亞納群島、馬紹爾群島、加羅林群島以及硫磺島上的陸軍，重創日本海軍在太平洋上的艦隊以及航空兵集團。
“徵糧者”戰役集結了美軍在太平洋戰場上的眾多兵力。第五艦隊司令海軍上將斯普魯恩斯，指揮由海軍中將米切爾率領的第五十八特混編隊，共擁有航母十五艘、艦載機九百零一架、戰列艦七艘、巡洋艦二十一艘、驅逐艦六十九艘。登陸部隊則由兩棲作戰艦隊司令海軍中將特納指揮，分成南北兩個登陸集團。北集團擁有戰列艦七艘、航母護衛艦十一艘、巡洋艦十一艘、驅逐艦六十九艘和輔助艦船二百八十二艘，載有準備在塞班島和提尼安島登陸的步兵七萬一千人；南集團擁有戰列艦三艘、航母護衛艦六艘、巡洋艦三艘、驅逐艦四十艘和輔助艦船二百六十七艘，載有準備在關島登陸的步兵五萬五千人。同時參戰的還有二十八艘潛艇、太平洋中部的預備兵團以及海軍和陸軍航空兵的八百七十多架戰機。日軍除了第一航空艦隊的一千六百四十四架戰機外，第一機動艦隊擁有航母九艘、艦載機四百四十架、戰列艦五艘、巡洋艦十三艘、驅逐艦三十四艘。而在大洋中守備各個島嶼的日本陸軍是第三十一軍的五萬五千人，其中二萬七千五百餘人駐守塞班島，四千餘人駐守提尼安島。
六月初，美國陸軍和海軍航空兵先後對加羅林群島、硫磺島和關島列島上的日軍基地實施了連續轟炸，令日軍第一航空艦隊的基本兵力一周之內損失大半。接著，美軍進攻馬里亞納群島的首戰，血腥慘烈的塞班島登陸戰開始了。 ——“馬里亞納基地對於日本本土來說，等於是太平洋上的一道防波堤。”十五日，美國海軍第五艦隊的十艘航母、七艘戰列艦、十四艘巡洋艦、四十六艘驅逐艦和四百七十多艘兩棲登陸船，在兩千架作戰飛機的支援下，配合海軍陸戰隊的兩個師以及一個步兵師，向塞班島發起了猛烈突擊，塞班島登陸戰自這一刻起成為人間地獄。日軍密集的海岸封鎖火力，令灘頭上美軍傷兵的呻吟聲與砲彈引發的濃煙烈焰裹雜在一起，美軍要想不被全殲在海灘上，只有不顧一切地保持進攻。午後，美軍突破日軍的防線，佔據了一個寬約四公里、縱深為數百米的橋頭堡。美軍的一支突擊隊進至塞班島南部，於十七日晚佔領了阿斯利特機場。日軍開始利用島上密布的雨林和洞穴進行頑固抵抗，幾乎每一棵樹下和每一個洞穴裡都發生過殊死搏鬥，那些寧可戰死也不放下武器的日軍赤身裸體，沒有食物後嚼食草根樹皮，打光子彈後用自己的牙齒與美軍肉搏。慘烈的戰鬥持續了二十多天，直到七月九日，美軍才宣布塞班島上的日軍沒有一個人還活著。此戰，三千四百名美軍官兵陣亡在這座大洋中的小島上，負傷官兵更是達到了驚人的一萬三千人。就在美軍即將攻占全島之際，塞班島上的日本海軍中部太平洋方面艦隊司令南雲忠一中將以及第四十三師團師團長齋藤義次中將自殺身亡，其理由是“以此來為最後衝鋒的將士壯行”。 ——日本軍人信守的武士道令美國人精神恍惚，難道太平洋上每一個被日軍盤踞的島嶼都將是美軍官兵血流成河之地？
塞班島上的血戰正在進行時，在馬里亞納群島以西、菲律賓海以東的海面上，日軍的九艘航母、五艘戰列艦、十三艘巡洋艦、二十八艘驅逐艦以及一百七十三架戰機，與美軍的十五艘航母、七艘戰列艦、二十一艘巡洋艦、六十九艘驅逐艦、二十八艘潛艇以及九百五十六架戰機，進行了一場規模空前的大海戰。十九日晨，日軍三百餘架艦載機首先對美軍艦隊實施遠距離突擊，但立刻遭到美軍強大艦載機群的攔截。日軍飛行員回憶道：“在衝破美軍的堵截中經歷了空前的苦戰。”與此同時，日軍旗艦“大鳳”號航空母艦遭到美軍潛艇的魚雷攻擊，六個小時後彈藥庫發生大爆炸沉沒；繼“大鳳”之後，“翔鶴”號航空母艦同樣被美軍潛艇的魚雷擊中，六百多名官兵在熊熊烈火中隨艦沉沒。此戰，美軍損失艦載機一百三十架，只有四艘軍艦受到輕傷；而日軍損失了戰列艦兩艘、巡洋艦一艘、航空母艦三艘，還有兩艘航空母艦遭遇重創，三百六十架艦載機僅保全下來二十五架。海戰結束後，菲律賓海面上漂浮著綿延數十海裡的油污、戰艦和戰機的殘片以及人的屍體。 ——“實際上，聯合艦隊司令長官估計，這次海戰將是日本海軍的航空和水面部隊全力以赴的最後決戰。決戰開始時曾以'皇國興廢在此一戰'訓諭全軍。可是，儘管聯合艦隊下瞭如此的決心……日軍終被美軍的航空母艦和潛艇所壓倒，吃了敗仗。”
六月六日，第二次世界大戰中最著名的登陸戰在法國北部的諾曼底海岸開始了。盟軍方面動用了隸屬遠征軍第二十一軍群的美軍第一集團軍、英軍第二集團軍、加拿大第一集團軍，共三十二個師、十二個獨立旅，還有一萬一千架作戰飛機、六千九百三十九艘各類戰艦、運輸船以及登陸艦，加上第二波次的登陸部隊，投入總兵力為二百八十七萬六千人，其中美軍一百五十三萬三千人。五日，在空軍強大機群的掩護下，盟軍在卡朗坦以北空降了兩個美國師，在卡昂東北空降了一個英國師；同時，龐大的登陸艦群冒著肆虐的風雨開始橫渡英吉利海峽。由於盟軍戰前成功地進行了戰略佯動，部署在法國、比利時與荷蘭海岸的兩個德軍集團軍群的大部分兵力，被配置在了法國最北端的加萊海岸，而在盟軍真正的登陸地諾曼底沿岸僅有三個德軍師。但是，當盟軍的登陸部隊抵達法國海岸後，雖有強大的艦炮和戰機連續突擊，登陸部隊還是遇到了猛烈抵抗，並隨之出現巨大傷亡。盟軍官兵只有前赴後繼，頑強地爬上海灘，在登陸開始後充滿死亡氣息的十七個小時內，湧上法國海岸的美軍已達十三萬，而英軍在海岸上卸下了六千件各種兵器、九百輛坦克、六百門火砲以及四千三百噸的裝備和彈藥。情報的錯誤使得德軍付出了慘重代價，一線部隊遭到毀滅性殲滅。法國海岸上的流血持續一周後，盟軍的勝利已經沒有懸念。諾曼底登陸的第二十九天，衝入法國境內的盟軍已達百萬，德軍統帥部倉促投入了包括四個坦克師在內的十二個師，可除了充當盟軍的追殺目標外沒有其他用途。諾曼底登陸戰為盟軍開闢出歐洲第二戰場，隨著盟軍向法國國土縱深的迅猛推進，戰火將很快燒到德國邊境，德國法西斯的末日已近在眼前。
在蘇德戰場上，進入一九四四年六月以來，蘇軍連續發動的大規模攻勢作戰令德國人驚慌失措：二十三日，發動維捷布斯克-奧爾沙戰役，蘇軍攻入白俄羅斯、立陶宛、拉脫維亞，進而攻入波蘭境內，並逼近普魯士邊境，德軍中央集團軍群的左翼完全崩潰；二十四日發動博布魯伊斯克戰役，全殲德軍六個師，為徹底解放蘇聯全境奠定了基礎；二十九日發動明斯克戰役和波洛茨克戰役，全殲德軍第四、第九集團軍群十萬餘人，奪回波洛茨克市，把前線向前推進了數百公里。 ——一九四四年六月間，蘇軍完全掌握了蘇德戰爭的主動權，德軍龐大的精銳部隊土崩瓦解，斯大林已經把德國本土確定為攻擊目標，開始著手製訂進攻柏林的最後決戰方案。
德國和日本的最後崩潰，在一九四四年六月間已成定局。
這便是日本執意要在中國戰場上發動空前規模的攻勢作戰令人困惑的原因。
日軍大本營承認，此次作戰有一個“不公開的原因”，即“鑑於戰局的現狀，切望籍此鼓舞國內外的士氣，大本營極端期待此次將成為今年最出色的作戰”。
“敵積憤數年，恥深三敗，且以世界局勢威逼，不能不傾國力以圖苟延，屢進屢退，長圍血污。”——中國第九戰區司令長官薛岳如是說。
以不斷的死傷提升士氣，此時的日本人已經無法理喻。
薛岳的慨嘆是：“侵略者傷死固不足惜，而我以一軍之眾，力禦數倍強寇，搏戰十餘晝夜，竟使我忠烈將士與名城倶殉，可哀也。”
日本人所稱的“湘桂會戰”，在湖南境內的作戰被中國方面稱為“長衡會戰”，由日軍第十一軍實施攻擊，第十三軍、第二十三軍以及第五航空軍冊應作戰。第十一軍計劃以五個師團為一線攻擊兵團，分三路於湘江兩岸南下，進攻長沙和衡陽：中路兵力為兩個師團，沿岳州至衡陽的鐵路及其以東地區南進；東路為兩個師團，沿平江、瀏陽、萍鄉、茶陵山區進行左翼迂迴；西路為一個師團，由湘北的南縣渡過洞庭湖，沿湘江以西的沅江、益陽、湘鄉南進，進行右翼迂迴。一線攻擊部隊抵達長沙、瀏陽、寧鄉一線後，二線的兩個師團投入戰場。
其作戰計劃的要點是：
一、最初將兵團分成二線。第一線五個師團並列在華容、岳州南部、崇陽一線。在湘江以西以一個師團（第四十師團），湘江以東以四個師團（第一一六、第六十八、第三、第十三師團），分別展開（預料重慶軍將集中兵力向我進攻，故在外側部署優秀兵團第二線師團中，以兩個師團部署在監利（第五十八師團）及蒲圻西南方附近（第三十四師團），另一個師團（第二十七師團）正在集中途中，調到崇陽附近。
二、第十一軍於五月二十七日至二十八日開始發動攻勢，圍殲沅江、益陽附近及新牆河、汨水間的重慶軍。為了對付第六戰區，以獨立混成第十七旅團、獨立步兵第五旅團的各一部及步兵第一〇九聯隊（第一一六師團），掩護第十一軍右側。為此，進占松滋河一線以牽制重慶軍。第二線師團除用於決戰外，並負責掃蕩背後殘兵及修補道路。
三、如攻破汨水附近的重慶軍，即可向撈刀河一線追擊，並準備進攻重慶軍主要防線的寧鄉、長沙、瀏陽。為了攻取長沙，必須攻占其西方的岳麓山。為此，派遣有力兵團（第十四師團）在湘江左岸進攻該山，與直接擔任進攻長沙的兵團（第五十八師團）相互冊應。預料重慶軍將從瀏陽方面進行側擊，對此，以第三師團從西北方、第十三師團從東南方予以圍殲。又，在湘江西岸攻取益陽、寧鄉，尤須設法切斷由第六戰區前來增援的重慶軍。
四、如將瀏陽河一線的重慶軍擊潰，即以部分兵團急襲突進占領衡陽。此時，第十一軍主力則搜索圍殲從東方、西方和南方匯集而來的重慶軍。攻取衡陽時，須特別重視作戰速度。根據需要命砲兵、坦克、鐵道部隊等急速推進，以配合進攻時的急襲或強攻。
此時，同樣是為了打通國際交通線，中國軍隊主力大部已開往印緬戰場。薛岳的第九戰區因久戰疲憊，每個軍都有一個師在後方整訓，因此整個戰區兵力部署十分薄弱。
贛北方面：盧漢第一集團軍的江西保安第九團、新編第三軍新編第十二師、第一八三師以及第一挺進縱隊附屬江西保安第四團，擔任梁家渡、市汊街跨贛江至松湖街、高安、奉新、靖安之線防守；第五十八軍新編第十師和江西保安第三團駐紮在樟樹和清江；新編第十一師在分宜整訓。鄂南方面：王陵基第三十集團軍的第七十二軍第三十四師、江西警察第十四大隊、第三挺進縱隊一部以及新編第十三師，擔任大港、武寧、九宮山、塘口、通城、麥市、九嶺、保定關之線的防守，新編第十五師在修水附近整訓。湘北方面：楊森第二十七集團軍的第四挺進縱隊、第二十軍第一三四師一個團以及新編第二十師，擔任黃岸市、楊林街、新牆、八仙渡、鹿角一線的防守，第一三三師在長樂街附近整訓。湘西方面：梁漢明的第九十九軍擔任營田、湘陰、蘆林潭、沅江、南咀、小港、漢壽一線的防守。戰區直轄部隊：羅奇的第三十七軍一部擔任汨羅江防守，主力集結於甕江鋪、浯口地區整訓；王澤浚的第四十四軍擔任長沙守備；沈發藻的暫編第二軍在株洲、淥口整訓；方先覺的第十軍在衡山、衡陽之間整訓。
重慶軍事委員會判斷，日軍在河南境內打通平漢線後，必會向粵漢鐵路沿線發動攻勢，因此不斷要求第九戰區準備作戰。
五月二十八日電：
一、戰區以現有兵力（六戰區抽調一師增於益陽），準備長沙附近與南犯之敵決戰。
二、第四十四軍守瀏陽，第四軍固守長沙及岳麓山。
三、第二十七集團軍及第三集團軍（欠第四軍），在現陣地遲滯消耗敵人後，以主力向平江、瀏陽附近地區轉移。
四、第三十七軍在汨羅江沿岸遲滯消耗敵人後，向瀏陽、永安市地區轉移。
五、孫渡兵團（欠第五十八軍）應以持久戰掩護戰區之右翼，以五十八軍即向瀏陽以南地區轉進。
六、第六戰區應於第二十四集團軍抽一師，即開益陽，歸第九十九軍梁軍長指揮，拒止渡湖來犯之敵，掩護岳麓側背。
五月二十九日電：
第十軍（附暫編五十四師主力）固守衡陽，但以一師主力開易俗河，掩護湘潭、衡陽交通線。暫編第二軍以主力在淥口、朱亭間，掩護湘江右岸通衡陽之交通線，以一團位置於醴陵，掩護醴陵至攸縣之交通線，均歸薛長官指揮。但無命令，不得參加長沙決戰。
無論幕僚們如何提醒，薛岳認為日軍不會一次次地反復進攻長沙，因為從軍事上講這等於在做無用功卻要平添傷亡和損耗。薛岳的輕敵令戰區參謀長趙子立很是擔心。第九戰區原參謀長是吳逸志。一九四三年秋，吳逸志私下給美國總統羅斯福寫去一份關於盟軍應加強亞洲戰場作戰的報告，報告得到了美國軍方的重視。吳逸志把這件事電告蔣介石期望得到嘉許，誰知蔣介石回了個“免職，交軍法執行總監部法辦”的電報。隨後，在薛岳的舉薦下，參謀處長趙子立接任戰區參謀長一職。儘管得到了晉升，趙子立和薛岳之間因為作戰觀點相左，矛盾時有發生。此刻，薛岳固執地認為日軍已沒有能力進行大規模攻勢作戰，無奈的趙子立只能託人直接向蔣介石陳述第九戰區即將面臨大戰的態勢。 ——當日軍頻繁調動的情報得到證實，戰區必須制訂作戰方案的時候，中國軍隊內部再次出現了錯綜複雜的矛盾局面。
作戰的第一個預案，是白崇禧受蔣介石指派到達桂林行營後製訂的。桂林行營主任為李濟深，白崇禧的職責是在那裡統一指導第四、第六、第七、第九戰區作戰。這首先就讓薛岳很不以為然，蔣介石莫名其妙的指揮已經很令人厭煩了，現在戰區上面又多了一個白崇禧。果然，白崇禧不主張在長沙附近決戰，建議將決戰地域放在廣西境內。薛岳一听就火了：“丟他媽！我就不去給廣西看大門，不在湖南打，把部隊都拉到廣西他家裡去，可惡！”——把決戰地域放在湘桂邊境或是廣西境內，可以使日軍的戰線拉得很長，一定會造成日軍的嚴重消耗和補給困難，所以說白崇禧的預案不是一點道理都沒有。 “對攻者來說，像橡皮帶子一樣，拉得越長，就愈薄弱，超過了極限，它就要繃斷。”但是，薛岳因為對白崇禧心懷不滿而堅決反對。
作戰的第二個預案是薛岳提出的，即根據前三次長沙會戰的經驗，在長沙城下再次復制“天爐”戰法。薛岳的方案，受到包括趙子立在內的戰區幕僚們的反對，理由是日軍再次上當的可能性很小。趙子立認為：敵人在江南江北到處抓夫，水陸運輸極其繁忙，其形勢與第一、第二、第三次長沙會戰顯然不同。日軍兵力很大，仍在長沙照老樣子決戰，到時候敵人有打內線的，有打外線的，還有預備的，我們難以取勝。可薛岳堅持自己的意見，強調日軍東拼西湊湊不來多大的兵力，在長沙城下複製以往的勝利是完全可行的。
作戰的第三個預案是趙子立提出的，其主要內容是：針對日軍兵力強大的特點，把他們放進更遠的縱深地帶，在衡陽附近與之決戰相對合理。因為從日軍發動攻勢的起點新牆河算起，一路南進至衡陽約五百里，日軍深入至此補給線必定拉長，便於我軍予以切斷；同時日軍的攻勢受到我軍節節阻擊，抵近衡陽的時間大約需要一個月，這就給我軍調集部隊贏得了足夠的時間。衡陽是交通中心，第三、第四、第六、第七、第九戰區以及軍事委員會的直轄部隊，都便於集中至此，衡陽周邊的地形也有利於決戰。 ——從純軍事的角度看，第九戰區參謀長趙子立的方案合理性最大。
但是，蔣介石最後同意的卻是薛岳的方案，這在重慶軍事委員會給第九戰區下達的作戰指導中便可窺見一斑——無論是重慶方面還是薛岳，所確定的作戰計劃完全是第三次長沙會戰的翻版：在湘江東岸的新牆河、汨羅江、撈刀河、瀏陽河、淥水之間，以及湘江西岸的資水、溈水、漣水之間，節節阻擊，消耗日軍，待日軍兵臨長沙城下，鑽入中國軍隊佈置的“口袋”裡時，部署在瀏陽、平江、江西銅鼓地區的中國軍隊主力，以長沙為軸向左旋轉發起自東向西的側擊，將日軍壓迫在湘江東岸加以圍殲，並在日軍撤退時全力追擊，最後把日軍趕回出發地。
薛岳信心滿滿。
為了實施這一方案，除了從贛北調來魯道源的第五十八軍和傅翼的第七十二軍外，薛岳還呈請軍事委員會從第三戰區調來丁治磐的第二十六軍，從第六戰區調來彭位仁的第七十三軍、施中誠的第七十四軍、王甲本的第七十九軍和李天霞的第一〇〇軍，從第四戰區調來黎行恕的第四十六軍，從第七戰區調來黃濤的第六十二軍。手裡有了這麼多的部隊，薛岳認為橫山勇必在長沙城下重蹈其前任岡村寧次和阿南惟幾的覆轍。
薛岳忽視了兩個前提：一是日軍的兵力不同以往，他很快就會發現在中國軍隊阻擊的各個方向，都會出現日軍的主力師團；二是他低估了對手的智商，橫山勇絕不會愚蠢到按部就班地重複岡村寧次和阿南惟幾的失敗。恰恰相反，橫山勇吸取了孤軍深入堅城之下、大軍遭受側翼圍攻的教訓，部署了強大的作戰兵團於主攻方向，務使長沙城在巨大的衝擊下無法成為久攻不下之地；同時還專門部署了第十一軍中最強悍的第三、第十三師團於左翼，擔負擊潰從湘江以東發起側擊的中國軍隊的任務。另外，橫山勇還制訂了牽制中國各戰區增援部隊的詳盡的作戰方案。 ——日軍於戰前不但已經看見了薛岳部署的“口袋”在哪裡，而且還看到了這個“口袋”的底部和邊緣佈滿了漏洞。
長衡之戰，已不可避免地成為一場空前殘酷的血戰。
五月二十三日，橫山勇和幕僚們從漢口乘火車南下，前往設在蒲圻的戰鬥指揮所。 ——“水稻剛插過秧，幼苗約十五厘米尚未紮根，在掠過水面的微風裡，軟弱無力地搖擺著。”“第十一軍戰鬥司令所以作戰室為中心，分散設在山谷間坡道上間隔五十到一百米的農民家裡”。 “此處十分寂靜，只有雙方搜索和聯絡用的單引擎飛機不太強烈的轟鳴聲，會打破初夏芳香的空氣”。
橫山勇的戰鬥指揮所向戰場推進時，各路日軍蜿蜒在湘贛、湘鄂交界處河湖密布的水網地帶。二十五日，日軍全部抵達攻擊出發地：一線部隊的西路，第四十師團抵達石首與華容間，步兵第一〇九聯隊抵達石首以北的藕池口，由獨立步兵第五旅團為基幹組成的野地支隊抵達彌陀寺與閘口之間，由獨立混成第十七旅團組成的峰支隊抵達藕池口以北的楊林市附近；一線部隊的中路，第一一六師團抵達岳州東南的新開塘地區，第六十八師團抵達岳州東北的臨湘地區，步兵第二一八聯隊抵達岳州東北十公里處的城陵磯；一線部隊的東路，第三師團抵達崇陽地區，第十三師團抵達崇陽東北的白霓橋地區。二線部隊，第五十八師團抵達石首東北的監利與沙市東南的郝穴之間；第三十四師團抵達蒲圻西南的白石鋪地區；第二十七師團在武漢集結完畢後改編為馱馬裝備，將於二十六日車運至蒲圻東北的鹹寧地區。
二十六日，日軍參謀總長東條英機上奏天皇，除了報告前一階段河南作戰的戰果外，對即將發動的湖南作戰進行了特別闡述：
隨著我軍作戰準備的進展，敵方估計我將對岳州、常德、宜昌以及浙贛地區，也發動進攻，因而試圖加強各個陣地。但其原有兵力分散各方，未能認真採取對策。對於我方的進攻，尚未看到敵人從其他方面集中兵力的情況。據現觀察，目前敵方雖擔心我今後作戰將發展成大規模的進攻，但對我方的作戰設想尚未能作出準確判斷。
此外，可以判斷：本作戰與正在進行的緬甸方面的決戰是密切相關的，依靠本作戰將摧毀敵方在衡陽、桂林、遂川附近的主要空軍基地，加以緬甸北部作戰挫敗敵方開闢印度支那聯絡線的企圖，從而得以箝制駐華美空軍的活動，以保衛皇國疆土的安全。另一方面，對敵方，特別是對重慶政權和美國將使之大為動搖和焦慮。總之，中國派遣軍於翌二十七日發動的湘桂作戰，雖然預料將是歷時很久的作戰，其間將有許多變化，但確信在我皇威之下，必能達到預期的作戰目的。
五月二十七日五時，東路日軍第三師團、第十三師團向中國守軍第七十二軍的陣地發起進攻；晚上八時，第二一八聯隊搭乘海軍船艇由岳州南入洞庭湖；一個小時後，中路日軍第六師團（欠第一〇九聯隊）和第六十八師團強渡新牆河，向中國守軍第二十軍陣地發起進攻；三個小時後，西路日軍第四十師團、第一〇九聯隊、獨立混成第十七旅團的兩個步兵大隊以及獨立步兵第五旅團的野地支隊，向松滋河東岸的中國守軍第九十九軍第九十二師陣地發起攻擊。
面對日軍大規模的兵力投入，中國一線守軍紛紛告急。
西路日軍突破第九十二師的阻擊，於三十一日抵近天心湖，然後乘汽艇在大通湖登陸，與從赤山島北側登陸的日軍會合後攻占赤山島。戰鬥中第九十二師二七六團團長鄒鵬奇因負傷被俘。當日軍逼近第九十九軍軍部所在地益陽時，軍直屬部隊抵擋不住，向東南面的滄水鋪、箐華鋪、寧鄉方向撤退，軍部與在湘江東岸擔任營田和湘陰防禦的第九十九師失去了聯繫。
中路日軍強渡新牆河時，中國守軍第二十軍在新牆河兩岸的姑姑橋、銅鼓嶺、七里山和三江口等防禦陣地進行了頑強抵抗，一部退守黃岸市、楊林街、龍鳳橋一線後繼續阻敵，主力則奉命增援東路阻擊日軍。日軍連續突破第二十軍的防禦陣地，三十日抵近汨羅江北岸的長樂街、大荊街、黃谷市一線，負責防守汨羅江的中國守軍第三十七軍與日軍接戰。由於日軍第三十四師團一部乘坐汽艇沿湘江迂迴至青泥灣，當晚攻占位於汨羅江南岸的歸義，汨羅江中國守軍的防線被日軍撕開。第十七軍留下一部與日軍糾纏，主力南撤至上杉市。而第二十軍也從新牆河一路退至汨羅江南岸。日軍第一一六師團在戰鬥中出現了傷亡，第一三三聯隊是該師團最強的部隊，由聯隊長黑瀨大佐指揮，在攻擊汨羅江北岸中國守軍陣地時，第三中隊中隊長塚本助夫等數人戰死。在接下來強渡汨羅江的戰鬥中，日軍遇到的阻擊更加頑強，第七中隊中隊長吉川五郎等四名軍官、七名下士和三名士兵被打死。六月二日，第一三三聯隊等砲兵上來後繼續強渡，但中國守軍是軍官學校的學生隊，“抵抗極為頑強，尤其是迫擊砲射擊技術巧妙，戰況因此無進展”。其間，聯隊的幾名中隊長非死即傷：“第九中隊長福原貞行少尉等二十二人戰死，第十中隊長長谷川勇次中尉等多人負傷。截止本日的戰鬥，結果第七、第八、第十、第十一各中隊的小隊長職務均早由下士官代理。從三十一日以來，在連續兩天的激戰中，聯隊雖已突破汨水河畔重慶軍的主要陣地，但從開始作戰以來不到十天，竟然損失這樣多的官兵，聯隊長黑瀨大佐感到異常痛心。”
東路日軍突破中國守軍新編第十三、新編第十五師的防線，二十八日抵近通城外圍，六月一日抵近團山鋪和長壽街。在日軍連續攻占通城、麥市、龍門驛和平江後，新編第十三師繞過日軍的攻擊線，向北退至幕阜山區，第二十軍部隊則撤至平江以南的祖師岩一帶。第九戰區命令第五十八軍和新編第三軍第一八三師，火速開赴醴陵一帶布防以阻截日軍。六月一日，日軍第十三師團司令部進入長壽街，司令部參謀在戰地日記中記述道：“該地為汨水河谷的要衝，市街正在劃區整頓，沿路看不到村民的影子，抗日意識極為強烈。”
二日，日軍第十一軍下達命令：第四十師團攻占沅江後，以一部向南突擊喬口、靖港、白沙洲一線，切斷湘江以東中國守軍向西的退路，主力於五日開始攻擊益陽、寧鄉；第一一六師團四日拂曉突破長樂街以南中國守軍的防線，向撈刀河以南的黃花市攻擊前進；第六十八師團四日拂曉從甕江附近出發，一部向南攻擊金井，然後經上杉市推進到長沙東北方向的春華山附近；第十三師團限七日晚抵達瀏陽東北的永和市和蔣埠市，準備向瀏陽東南攻擊前進；第二線部隊第三十四、第五十八師團立即投入作戰：第三十四師團第二一八聯隊負責殲滅中國軍隊渡江部隊以及湘江兩側的部隊；第五十八師團須於七日突擊到金井西南的福臨鋪東西之線。
與此同時，蔣介石命令第九戰區部隊必須固守長沙、瀏陽和衡陽要地：
飭薛長官轉各總司令，各軍、師長，上下一致，爭取最後勝利，並規定凡命令固守地點，不得擅自撤退，違者照連坐法治處。
根據蔣介石的電令，薛岳報呈了第九戰區準備固守的四個要點：第九十二師固守沅江，第九十九師固守湘陰，第七十七師固守益陽，第一六二師固守三姐橋。 ——薛岳把防禦重點移向了戰場的西面，重慶軍事委員會隨即命令第六戰區第二十四集團軍全部歸第九戰區指揮。
但是，湘江東面的瀏陽方向首先告急了。
此時，在瀏陽以北，守衛汨羅江一線的中國守軍第三十七軍，在進行了輕微抵抗後已撤至瀏陽以東的山區，導致湘江東面的戰場上已沒有能夠阻擋日軍推進的中國軍隊了。儘管西面的苐九十九軍仍在日軍側後方的青山、喬口、湘陰、營田等陣地頑強抵抗，可對於日軍兵力龐大的多路攻勢來講無法形成任何牽製作用。薛岳命令新編第三軍第一八三師六日前抵達瀏陽東南三十公里處的桐木，命令從第三戰區調來的第二十六軍星夜兼程趕往萍鄉。八日，東路日軍逼近瀏陽。中路日軍突破汨羅江防線後，抵近撈刀河北岸以及春華山地區，中國守軍第九十九師撤入三姐橋附近的山區；日軍第三十四師團突破新開市陣地，抵達撈刀河北岸的橋頭；第五十八師團主力推進到汨羅江以南的栗山港，其步兵第五十二旅團攻占湘陰。西路日軍攻占沅江後，再佔茈湖口，逼近白馬寺，中國守軍撤守寧鄉以南的溈水南岸。
連日傾盆大雨，戰場道路泥濘，日軍的步兵和車輛在渾濁的積水中行動艱難。特別是負責戰場供應的車隊為泥水所困，作戰物資的接濟只能依靠湘江水運。但海軍的艦船開闢湘江水道同樣艱難，因為中國軍隊在航道上佈設了大量的水雷，海軍告訴陸軍要將水雷完全清除至少還要十五天。更為嚴重的威脅來自中美聯合空軍的空襲，日軍第四十師團的後方野戰醫院和輜重部隊在轟炸中幾乎損失殆盡，而在水路航道上日軍投入了一百二十艘護衛船，到八日那天只剩下三十多艘了。
儘管如此，長沙已經近在咫尺。
橫山勇深思熟慮後決定：先攻占寧鄉和瀏陽再進攻長沙。
鑑於前三次的作戰失利，橫山勇對攻擊長沙十分謹慎。他選定的攻城部隊是第五十八師團，其官兵大多來自日本九州南部，以性格強悍著稱於日本陸軍；而他選定攻擊岳麓山的部隊是第三十四師團，該師團戰前特別進行了各兵種協同的山的作戰訓練。為了粉碎薛岳的“天爐”陣型，他命令西路的第四十師團攻占寧鄉，命令東路的第三、第十三師團攻占瀏陽。 ——瀏陽和寧鄉，於東西兩邊夾長沙而立，一旦長沙的兩翼被日軍佔領，薛岳的“天爐”就等於失去了爐壁。而中路的第一一六師團和第六十八師團，將避開中國守軍的正面陣地向瀏陽河畔攻擊推進，為攻城的第五十八師團掃清側翼障礙。這樣一來，薛岳的“天爐”就只剩下一個單薄的“爐底”——長沙城了。
被蔣介石放在戰場西面的第二十四集團軍，是王耀武指揮的機動精銳部隊，蔣介石原指望能在長沙城的西部保持住中國軍隊主力進出的通道。第二十四集團軍九日開赴戰場，日軍第四十師團正在圍攻益陽，王耀武急令第一〇〇軍馳援。十二日，當第一〇〇軍抵達益陽附近時，守軍第七十七師因傷亡過大連夜突圍。第一〇〇軍官兵在不知守軍撤退的情況下開始攻擊益陽外圍的日軍，因日軍主力都已南下寧鄉，第一〇〇軍一鼓作氣收復了益陽。在把城防交還給第七十七師後，第一〇〇軍開始尾隨日軍主力南下。
寧鄉守軍是配屬第七十三軍的第五十八師。日軍十五日突入寧鄉城內，第五十八師抵抗之頑強出乎了日軍的預料，激烈的巷戰持續四天四夜後，第五十八師僅剩下二百多人，而日軍仍舊不能完全控制該城。十九日凌晨，日軍主力繞過寧鄉繼續南下湘鄉，尾隨日軍的第一〇〇軍第十九師官兵乘機突入城垣，與第五十八師所剩不多的官兵會合了。 ——在長沙城的西面，儘管寧鄉始終沒被日軍攻占，但日軍第四十師團長驅直入，基本掌握了湘江以西戰場上的主動。
在長沙的東面，日軍第三師團由西面和北面、第十三師團從東面開始進攻瀏陽，其中一部日軍甚至悄悄繞到了瀏陽城南。薛岳命令第五十八軍軍長魯道源統一指揮第二十軍一部、第一六二師、第九十五師和第一八三師，向日軍第十三師團實施反擊，兩軍在瀏陽至萍鄉之間展開了混戰。日軍第十三師團不斷出現傷亡：第六十五聯隊第三大隊隊長永井博大尉被擊斃，師團工兵隊在中美聯合空軍的襲擊中被炸死二十多人、炸傷三十多人。在強渡蔣埠江時，伊藤聯隊第二大隊遭到中國守軍的猛烈襲擊，出現嚴重傷亡後被迫停止強渡，直到第三大隊迂迴到中國守軍的側背，第二大隊官兵才再次跳入蔣埠江內。可中國軍隊的機槍子彈依舊密集地射來，被擊中的日軍在因暴雨而猛漲的河水中沉沒。中國軍隊的傷亡也很大，第五十八軍派往第一八三師的督戰官張天舉陣亡，第一八三師師長余建勳負傷。中國官兵苦戰到十四日，固守瀏陽的第一六二師被迫突圍，瀏陽城隨之陷落。
中路日軍的第一一六、第六十八師團在春華山附近強渡撈刀河，中國守軍暫編第七師因抵擋不住日軍的攻勢退守淥水南岸。日軍第三十四師團則渡過湘江抵近岳麓山的東面和北面；第五十八師團在向長沙以東推進的過程中，受到中國軍隊迫擊砲的襲擊，師團長毛利末廣被彈片擊中負傷。這時候，在長沙城背後的湘潭，突然出現了一支日軍——第一一六師團的黑瀨聯隊，竟然單槍匹馬向長沙以南秘密突擊。而攜帶著火砲的這支日軍，竟然在中國守軍的眼皮底下渡過了湘江。抵達湘潭附近後，發現這裡的中國守軍已經撤退，黑瀨聯隊未經流血佔領湘潭城，甚至還修復了湘潭機場。更不可思議的是，黑瀨聯隊繼續向前，佔領了石潭城。石潭城瀕臨漣水，水面上密集地排列著從長沙和湘潭開來的滿載著難民和物資的船隻，對於突然出現在眼前的日軍，難民們目瞪口呆。而黑瀨大佐聽見北面響起了隆隆炮聲，他判斷第十一軍主力已經開始進攻長沙城了，於是很為自己的行動感到飄飄然：“聯想到聯隊沖進石潭市的重要意義，甚為高興；同時對湘潭附近的三個師（中國守軍）輕易退卻，竟放棄長沙背後的防守，致使我抬著火砲步履艱難的聯隊，一舉衝入距易家灣五十公里的石潭市，此實令人不解。”
長沙已被日軍四面圍城。
薛岳照搬前三次長沙會戰的樣式而設計的那個“天爐”，早已破敗不堪。 ——以長沙為核心，日軍在東西兩面都部署著重兵，陣形散亂的中國軍隊於任何一個方向上都不可能發動側擊或夾擊，長沙成了鐵桶般重圍之下的孤城。
或許，此時縈繞在日本人腦海中的，已不再是薛岳津津樂道的“天爐”，而是發生在日軍南下作戰期間的一件事：美國空軍六十八架B-29和B-24轟炸機，從距離八幡市三千二百英里的中國成都機場起飛，於五月十五日深夜猛烈轟炸了日本九州八幡煉鋼廠。東京大本營電告日軍中國派遣軍：“美第二十空軍部隊（以B-29為主的轟炸部隊，司令沃爾福中將駐在中國）是在聯合軍參謀總部管轄下，由美國陸軍航空司令阿諾德直接指揮作戰的。它不僅對一方面的戰場，而且由於續航能力增強，更可廣泛用於各方面的戰略目標的攻擊。這次空襲北九州，是為了全面破壞我工業資源的戰略性轟炸的開端。”既然日軍發動大規模攻勢作戰的目的之一，便是摧毀中國大陸上的美國空軍基地，那麼美國人此舉就如同在催促日本人作戰一樣。 ——得知本土落下了美國炸彈的日軍第十一軍，其攻占長沙的急切已經無法抑制了。
守衛長沙城的中國軍隊，是隸屬第九戰區的第四軍。該軍前身是粵軍第一師，一九二〇年由孫中山親手創建，中國軍隊中的粵係將領大多出自該部，因此這支部隊有“粵軍之母”之稱。一九二五年，廣州國民政府改編軍隊時，粵軍第一師被改編為國民革命軍第四軍，首任軍長李濟深。該軍在北伐戰爭中參加攻克武昌之役，因戰功卓著被國民譽為“鐵軍”。目前，第四軍下轄第五十九、第九十、第一〇二師。因為是粵係將領薛岳的嫡係部隊，因此團長以上人選均由薛岳親自任命。在三個步兵師中，第五十九師和第九十師是粵軍的老底子，第一〇二師則是由黔軍第二十五軍演化來的，論戰鬥力第五十九師最強，其次是第九十師和第一〇二師。每個師配置三個步兵團，加上配屬的砲兵第三旅以及軍直屬的特務、工兵、砲兵、通信和輜重營，全軍共約三萬餘人。時任軍長張德能，副軍長柏輝章，軍參謀長羅濤溪，第五十九師師長林賢。二師師長陳偉光。
對於薛岳來講，他並不情願讓自己的老部隊第四軍固守長沙城。但是，第四軍一直駐守在長沙和湘潭一線，日軍兵臨城下之際讓第四軍撤下去換上別的部隊，薛岳實在說不出口。於是用“第四軍善於攻不善於守”為由，啟發參謀長趙子立把撤換第四軍的話說出來，可趙參謀長就是不開口。趙子立的用意是：長沙城眼看著要面臨苦戰，這時候把第四軍換下去，薛岳保存實力的做法過於明顯，將嚴重影響戰區部隊的士氣。更重要的是，當初制訂作戰計劃時，自己主張在衡陽與日軍決戰的建議被薛岳否決，現在如果讓第四軍堅守長沙，一旦危急時刻來臨，再向薛岳提出放棄長沙改在衡陽決戰，薛岳為了保全自己的基本部隊定會立即同意。
薛岳已經意識到了，這次作戰與前三次長沙會戰完全不同，至少當面日軍的師團和旅團番號就有八九個之多，他並不確信第四軍能夠守住長沙，更何況長沙的東西兩翼都已失去遮蔽。薛岳產生了讓戰區指揮部撤離長沙的念頭，但在撤往哪裡的問題上他與趙參謀長再次產生矛盾。趙子立認為將來的戰事將向西南發展，戰區指揮部應該移動到湘西去；可薛岳堅持要去湘東，理由是“我不去給重慶守大門”！ ——薛岳因為白崇禧之故，表示“不去給廣西看大門”；現在又因為蔣介石之故，表示“不去給重慶守大門”。那麼，作為抗戰中國的一個戰區司令長官，他到底要給誰守大門？
粵係將領薛岳很明白，無論他打多少大仗勝仗，他都不是蔣委員長的黃埔嫡系。
薛岳走了，去了耒陽。
留下戰區參謀長趙子立在長沙岳麓山指揮所。
趙參謀長很快就發現，他根本沒有指揮權。
第四軍的部署是：兩個師在城裡，一個師在岳麓山。趙子立認為，岳麓山守不住，長沙自然就守不住，因為岳麓山可以俯瞰整個長沙城，所以主張將第四軍的主力調到岳麓山來。可第四軍軍長張德能說，薛岳走時有交代，第四軍仍歸他直接指揮，參謀長要想改變部署，得先經過司令長官的同意。趙子立立即給薛岳打電話，問自己是否可以指揮第四軍，薛岳明確表示“你不要指揮它”。趙子立立馬火了，問那留他這個參謀長在前線有什麼用，薛岳的回答是“你在那里聯絡”。
既然司令長官已經無心守長沙，趙子立索性只留下一個通信班、一個警衛排以及少量隨從，命令其他與打仗無關的人全撤到耒陽去。高級參謀馬良驥不願意走，因為他與趙參謀長是陸軍大學第十四期的同學，上校參謀陳馭遠也不願意這個時候離開，還有司令長官部的陳副官，結果他們和趙子立一起留在了岳麓山指揮所。
大戰未始，軍心惶惶。
更嚴重的是，關於長沙的防禦部署仍在爭吵不休。
五月十七日，為協調防禦部署，戰區參謀長趙子立、第四軍軍長張德能和砲兵指揮部三方開了個緊急會議。多數與會者認為，這次日軍兵力強大，主攻長沙的就有兩個師團，日軍必會吸取前幾次失利的教訓，把攻擊重點放在岳麓山。岳麓山與長沙城隔著湘江兩岸對望，但岳麓山的地勢高於長沙城，如果守住岳麓山，縱使日軍攻進城裡，也不算佔領了長沙，因為我軍火力依舊可以隔江覆蓋城內日軍；而一旦岳麓山先失守，日軍便可居高臨下實施攻擊，那時的長沙城也就無險可守了。但是，張德能軍長堅持他只聽薛岳的：“長官叫我以主力守長沙，我只好以主力守長沙。”爭論的結果是：步兵依照張軍長的意見把兩個師放在城裡，砲兵依照趙參謀長的意見把重砲集中部署在岳麓山。
長沙守城戰最後形成的防禦部署是：第一〇二師守長沙北半部，第五十九師守長沙南半部，兩個師的防禦分界線自小吳門起向西延伸到湘江邊，線上屬於第五十九師的防禦範圍，張德能的軍部在第五十九師的防區內。岳麓山由第九十師防禦，二六八團守岳麓山，二七〇團守船形山，二六九團為預備隊配置在兩山之間的山口。第九十師師部在湖南大學裡，指揮所設在岳麓山山頂。由此，長沙城中國守軍的指揮機構分成了兩個部分：趙子立參謀長和砲兵指揮部在岳麓山，張德能軍長留在長沙城裡，兩個指揮部中間隔著一條湘江，一開始便是各顧各的局面。
薛岳沒有給第四軍下達必須死守多少天的指令。
但是，誰也沒想到長沙城竟然丟失得如此之快。
就在趙參謀長和張軍長還在爭執的時候，日軍對長沙城的攻擊已經開始了。
由於等待海軍掃雷部隊掃清湘江航道，以便把野戰重砲第十四聯隊運上來，還要等待第六十八師團和第一一六師團掃清長沙外圍，所以直到十六日傍晚，橫山勇才命令第三十四師團對岳麓山、第五十八師團對長沙城發起進攻。當夜，在飛機和重砲的支援下，第五十八師團突破中國守軍第五十九師的一線防禦，第五十九師撤守妙高峰和天心閣核心陣地。而第三十四師團攻占了岳麓山東西兩側的虎形山和牛形山。十七日清晨，日軍新一輪的攻擊開始。第五十八師團猛攻天心閣桃花山陣地，天上是成群的戰機助戰，地面上毒氣瀰漫，第五十九師拼死抵抗，部隊傷亡嚴重。同時，攻擊岳麓山的日軍第三十四師團得到第六十八師團第五十八旅團的增援，中國守軍第九十師的陣地遭到左右迂迴包抄，守衛燕子山陣地的二六八團官兵死傷過半，岳麓山岌岌可危。
部署在岳麓山上的中國軍隊重砲群，自戰鬥一開始就晝夜不停地發射，給攻城日軍造成極大的殺傷。日軍的重砲部隊在向長沙移動途中，不但受到湘江航道里水雷的困擾，更在中美聯合空軍的空襲中損失巨大，其獨立野戰重砲第一聯隊奉命對岳麓山上的中國重砲實施壓制，但其砲兵陣地受到十幾架美軍戰機波浪式的轟炸，砲兵死傷慘重，四門大口徑加農炮被炸毀，剛剛運上來的堆積如山的砲彈被擊中，爆炸聲傳及數里。日軍的重砲部隊不顧傷亡，重新開闢陣地後，繼續向岳麓山上的中國重砲群開火，雙方的砲戰令岳麓山陷入一片火海中。
張德能軍長這時候才看出來，如果岳麓山丟了長沙城也就完了，於是決定守城的第一〇二師和第五十九師各留一個團繼續堅守城內陣地，其餘主力全部渡過湘江去增援岳麓山。 ——且不論張軍長的醒悟是否已經太晚了，在日軍開始向城內湧入的時刻，部隊離開現有作戰工事進行大規模移動，談何容易？
中國長沙守軍第四軍的混亂始於十七日夜晚。
岳麓山上的趙參謀長知道這種移動的危險，緊急命令長沙城兩側的中國軍隊側擊攻城日軍，以緩解城內日軍的攻擊力度，但此時長沙城兩側的中國軍隊根本無力攻擊。於是，在日軍一波接一波的攻擊中，第四軍的軍官們跑到湘江邊臨時徵集船隻，在混亂的江邊只找到兩艘小火輪和十幾條滿載貨物的民船。夜色中，大批中國官兵已湧到江邊，人多船少，互相爭搶，頭頂上是日軍戰機的輪番轟炸和掃射，不少官兵失足落水，船隻更是因為嚴重超載而傾覆——“當時情況危急，渡河未及，船舶、渡口、部隊時間均未十分計劃，渡河後之集中地點、指揮人員亦未指派，以致秩序混亂，無法掌握，墜江溺斃者，不下千餘。”
就在湘江這邊一片混亂時，岳麓山上的第九十師已經支撐不住了。十八日凌晨，日軍突破岳麓山船形山的山口陣地，攻上岳麓山山頂。第九十師師長陳侃帶著幾名衛兵進入密林中，全師剩餘官兵則潮水般地向湘鄉方向退卻，退卻中遭遇日軍堵截，部隊傷亡極重，部分官兵被俘。
渡江而來的第四軍主力看見岳麓山已經丟失，便開始自尋出路。第一〇二師在下游找到一些船，除了三〇四團團附張克儉率領的掩護部隊未能衝出日軍的包圍圈外，大部分官兵跑到了湘江西岸。第五十九師一七五團渡過湘江的官兵只有一千餘人；一七六團向瀏陽方向突圍，最後歸隊的官兵不足一千；一七七團的殘部突圍至長沙南面的黑石鋪，也僅剩下千餘人。
午夜二時，軍長張德能帶領幾名衛兵乘一艘小船渡過湘江，到湖南大學的時候已是四時。他疲勞至極，倒頭便睡，天明後被人叫醒，報告說部隊已經潰退了。 ——“張聞訊大怒，匆忙跑出湖南大學轉彎的公路上，大叫：'統統回來，不回來，我槍斃你們！'”但是，已經沒有人聽他指揮、聽他叫喊了。
趙子立與岳麓山指揮所的人一起從城南突圍而出。
至於被滯留在城裡的少量部隊，因無法抵擋蜂擁而入的日軍，紛紛四處突圍逃生。
這是十八日清晨，距日軍發動攻城戰僅一天兩夜。
國民黨方面的有關文件對長沙城這一刻的記述是：“十八日晨，增援部隊始得渡江，斯時敵已突破竹山，衝至岳麓山，襲擊我砲兵陣地。未及佈置，桃花山亦告失守。適於戰鬥指揮所，尚未預備，增援部隊渡河未畢之際，岳麓山核心陣地已失，四面受敵包圍，無法支持戰鬥，乃被迫退出岳麓山。其後復被尾擊，隊伍星散，無人掌握，直潰退至邵陽，始得收容位數不及四千。而殘留長沙之四個團，於是有一部分千餘，由北門衝出東山，沿途與敵戰鬥，退至茶陵歸二十七集團軍歐副總部收容、指揮。”
長沙城淪陷了。
日軍從開始攻城直至全部佔領僅用了不到兩天的時間。
第四軍在守城期間傷亡三千餘官兵，渡江時淹死一千多官兵，殘留在城裡的部隊最後突圍而出的僅千餘人。岳麓山上中國守軍的重砲四十餘門、野戰炮九門、美式山炮十二門全部損失。全軍步槍損失了百分之七十，輕機槍損失了百分之八十，重機槍損失了百分之九十，所有的迫擊砲、通信、防毒和工兵器材全部損失。
有“粵軍之母”和“鐵軍”之稱的第四軍幾乎全軍覆滅。
二十日，日軍第十一軍對長沙作戰的戰果進行了初步統計：中國軍隊戰死三萬五千四百人，被俘多達十一萬一千三百人。日軍戰死一千五百零三人，其中軍官一百零一人；負傷三千六百六十二人，其中軍官二百二十五人。
第四軍戰後總結的“失敗主因和責任問題”如下：
一、教育方面：
A、軍自三十二年（一九四三年）六月中旬駐防長沙以來，因修築工事，部隊教育無暇顧及。
B、平時教練偏重基本教練，戰鬥動作生疏。
C、忽略實彈射擊演習，以致士兵射擊技術不精。
D、師各級主官忙於應酬，對部隊訓練敷衍塞責。
二、軍紀方面：
A、平時管教疏忽，虛圖表面，實則官兵驕傲任情，對上級陽奉陰違。
B、部隊主官因營商應酬，脫離部隊，致使部隊精神不能團結。
三、戰鬥軍紀廢弛：
A、六月三日，長沙疏散時，各級官兵擅入民房，攫取財物。
B、軍部副官處負責控制船隻，該處長潘孔昭假公濟私，擅扣商船，重價勒索，以飽私囊，並將攫取之財物，用五艘火輪裝出，致長沙戰鬥緊急，轉用兵力晚，渡河困難，貽誤不少。
C、城防團五十九師一七七團與警備部官兵，以強迫疏散為名，大肆發洋財。
D、紅山頭守備部隊，當敵攻擊時，尚在掩護部中賭牌，以致失守，影響全線戰鬥。
四、戰術方面：
A、兵力薄弱，並無控置預備隊。陣地、據點被敵突破後，無兵增援，重點無法形成。
B、固守防禦，並無逆襲計劃。當敵由竹山口突入，衝上雲麓宮時，無法殲滅，致使敵得以少數兵力，直搗我司令部核心，擊破我指揮所。
C、步、炮協同不良，以致砲彈時落我第一線陣地中。
D、無空軍助戰，一任敵晝夜摧毀我砲兵陣地。
五、責任問題：
A、軍參謀長羅濤溪，未能輔助主官（張軍長決心渡河時，並未擬定渡河計劃，即飭迥日拂曉進襲），戰鬥間未派員視察陣地，獲得緊急情況，又不指示部下辦理。
B、九十師長陳侃，十時許失守岳麓山陣地，部隊潰散。
C、軍部副官處長潘孔昭，派赴交涉船舶失職、舞弊，以致是夜渡河困難、遲滯。
以上報告顯然避重就輕。
且不說嚴重輕敵、部署不當、協同混亂、戰力薄弱、鬥志銷蝕，僅就一支軍隊而言，軍官忙於“營商應酬”，部隊只顧“虛圖表面”，危急時刻甚至能夠勒索百姓“以飽私囊”，官兵皆無心作戰卻“驕傲任情，對上級陽奉陰違”，這樣的狀態和境況怎麼可能不打敗仗？ ！
可是，白崇禧還是親自向蔣介石為張德能軍長說情：“竊查張軍長在四軍服務多年，向以勇敢著稱，過去北伐……此次抗日，無役不從；尤以第三次長沙會戰，協同友軍側擊攻城之敵，因而獲得勝利，厥功尤偉。此次守備長沙，因有種種原因，未能盡持久防御之責，懇請鈞座體念前勞，從輕議處，無任感禱。”
但是，蔣介石還是把張德能軍長槍決了。
同時被槍決的第四軍軍官還有：第五十九師一七七團團長楊繼震、軍副官處處長潘孔昭、軍軍務處處長劉瑞卿、軍副官處中校股長陳繼虞、長沙船舶管理所所長夏德達。
關於第四軍的三個師長，薛岳呈報的意見是：“九十師師長陳侃於岳麓山作戰不力，指揮無方，遺棄部隊，個人逃生，擬請先行撤職，發交軍法處執行監部訊辦。又五十九師師長林賢察、一〇二師師長陳偉光，於長沙渡河至岳麓山時，均未掌握部隊，致不能戰鬥，擬請各記大過兩次。”蔣介石的批復是：“此三師長皆應革職交軍法審判，以重軍紀為要。”於是，第四軍的三個師長都被送上了軍事法庭。
長沙城失守後，按照前三次長沙會戰的先例，日軍應該向北迴撤，恢復原來的對峙狀態。此時中國第九戰區主力，大多位於長沙兩側的山區裡，按照薛岳的戰前計劃，當日軍回撤時中國軍隊應對撤退中的日軍發動側擊或尾擊，以恢復原來的陣地。但是，攻占長沙的日軍不但沒有轉身回返，還在保持佔領地的同時大舉南下了。
日軍的下一個目標是衡陽。
攻占衡陽是戰前日軍第十一軍的預定目標，因此在第三十四師團和第五十八師團攻擊長沙城時，橫山勇已命令其他部隊迅速向衡陽突進：中路的第六十八師團和第一一六師團渡瀏陽河南下，抵達株洲及其以東的清江鋪地區，然後沿湘江兩岸快速推進直趨衡陽；東路的第三師團和第十三師團佔領瀏陽後，經過醴陵大距離地南下，向衡陽以東、以南的攸縣、安仁、耒陽方向推進；西路的第四十師團攻占寧鄉後南下湘鄉，向衡陽以北、以西的永豐、渣江方向推進。橫山勇認為，衡陽一戰成功與否，取決於能否擊退中國第三、第六戰區的援軍。他知道在攻占長沙的作戰中，薛岳的野戰部隊並未被完全殲滅，目前大部還在湘贛邊界的山區裡，顯然在等援軍抵達後再次對日軍發起攻擊。為此，橫山勇特別強調必須保持東西兩翼的攻擊力度。
二十日下午四時，橫山勇下達命令：
第一一六師團應以主力經易俗河、白果市、兩路口（衡陽西北二十九公里）附近，向衡陽西南地區挺進，就地殲滅敵軍，佔領衡陽。
第六十八師團應繼續執行以前任務，殲滅所在之敵，迅速佔領粵漢鐵路及衡陽機場，攻取衡陽。
第二一八聯隊應溯航湘江，協同第六十八師團，力謀完整佔領淶水、耒水及衡陽東側鐵道橋，並應協助第六十八師團渡河。
第十三師團應繼續執行以前的任務，以主力圍殲萍鄉附近之敵，另以一支有力部隊向攸縣方面挺進，根據情況，再以主力向攸縣方面挺進。
第四十師團一經佔領湘鄉附近，即行掃蕩附近殘敵，並做好在益陽及永豐方面作戰的準備。在長白湖南側地區及朱良橋附近部署部分兵力，以加強湘江的運輸。
第三十四師團應以主力迅速渡過湘江，掃蕩湘江以東的翎坑一永安市以北和永安市一金丼一愛江市以西一帶殘敵，並摧毀達摩山周圍敵軍據點。
第五十八師團應迅速協助在長沙及湘潭附近設立機場。此外，應直接掩護從淥口到湘江下游的運輸，並應確保長沙岳麓山及湘潭附近一帶。
第三師團應以主力經上栗市附近，搜索並圍殲萍鄉以南地區之敵，隨後在萍鄉南部地區集結，以部分兵力仍留駐瀏陽附近，與第二十七師團的先遣隊相冊應，圍殲瀏陽北側地區之敵。第二十七師團應繼續執行以前的任務，以鬆井大佐指揮的部隊與第三師團的一