面对日军最强的两大王牌师团，第10军打出了“泰山军”的威名。
日军主力强攻长沙城3天，仍被阻击城外，攻势已是强弩之末。日军原并无攻打长沙的计划，工兵“没有携带足够破坏城墙的炸药”，造成攻城异常困难。
其各参战部队所带dàn • yào 也有限，连续苦战，消耗极大，有些士兵甚至只能靠肉搏作战。虽有飞机空投物资，但很快消耗殆尽；反而减弱了其空中轰炸威力。
反观，国军第9战区不断加强长沙城内的防御力量，在3日命令第73军第77师渡过湘江进入长沙，归李玉堂将军指挥，成为第10军总预备队。
此时，外围的国军各部基本到达了战区所规定的第一次攻击线。
在长沙久攻不下，又有被反包围的不利情况下，日军开始考虑撤退。
当时，第3师团伤亡已达700多人，更重要的是所携带dàn • yào 几乎耗尽；其司令部和后防部队也“不间断地遭受来自岳麓山的重炮轰击，对官兵的威胁极大”。
阿南惟几在参谋人员反复劝说下，决定放弃攻占长沙的计划，于1942年1月3晚下达“反转”命令，限各部“自今停止扫荡长沙，于1月4日夜开始全线反转”。
在长沙苦战的第3师团长丰岛房太郎中将曾以第一线部队已冲入城内，正在巷战为由，“希望把反转日期再延期一日”，遭到阿南惟几的拒绝。
丰岛房太郎对死伤惨重而无战果极不甘心，他竟命令第3师团在4日晨向长沙发起最后的总攻。
日军最后的疯狂，使得长沙城的战况空前惨烈；李玉堂将军在长沙守城部队在伤亡极重的情况下，将传令兵，杂务兵，担架兵，输送兵组成1个连的敢死队，向日军发起反击。
“肉搏至再至三，阵地失而复得者五次”。国军第10军不仅顶住了日军疯狂进攻，还发起逆袭，斩获颇丰。
第3师团，第6师团最后的疯狂，终遭失败。在蒙受巨大损失后，便在4日晚乘夜色脱离战场，分别向东山和犁市撤退。
此时，外围国军各部正在向长沙开进中，准备对敌实行围歼。
薛岳获知日军开始全线撤退，立即变更作战部署，命令各部从不同方向对敌展开围追堵截，要在湘水以南捞刀河以北地区全歼日军。
其具体部署为：第19集团军总司令罗卓英将军指挥湘军第73军，粤军第4军，第26军为南方追击军，由南向北追击。
第27集团军总司令杨森指挥川军第20军，滇军第58军为北方堵击军，堵击后撤敌军。
第30集团军总司令王陵基指挥湘军第37军，川军第78军为东方堵击军，由东而西截击。
中央军第99军傅仲芳部为西方截击军，自西向东截击。
“尔后随追击战况之推进，始终按追击，堵击，截击反包围歼灭战之要领围歼溃逃之敌军”。
由于日军攻击长沙胶着时间过长，使得国军包围圈布置时间充裕。
国军也一改尾追日军，收复失地的消极态度，不顾牺牲全线围歼日军。
日军精锐第3师团刚离开长沙，就在金盆岭，林子冲一带遭到粤军第4军截击，苦战一天，才突围而逃，并改变原退却路线，与第6师团合流，抱成一团，集中突围。
而第40师团主力由金井退往春华山，因遭到猛烈阻击而一度折回，其留守金井掩护主力之的一部（龟川部队）为国军第37军所围攻，待增援部队解救时，伤亡已近400余人，战斗兵员仅20人，几乎是全军覆没。
1月8日，日军王牌第6师团向福临铺方向退却，途中被第73军等4个军反复围击，损失惨重，后经第3师团和空军的全力援救下，才得以突围。
日军最强王牌第6师团竟被打的狼狈不堪。
在国军不断阻击和追击之下，日军一直且战且退，处境相当危艰，后撤速度缓慢。
经过10天苦战，各师团主力才陆续渡过汩罗江。
在过江之时，由于听闻国军即将赶来，日军竟争先恐后，乱作一团，“多自相践踏，因此落水溺毙者甚众”②。
历史再次重视第二次长沙会战，只不过追逃易位，日军的撤退从一开始就十分艰难，到最后竟发展成溃败；这也是侵华日军首次大溃败。
1月14日，日军在汩罗江北集结完成，一齐向北撤退。国军仍继续以各种方式围击敌军，但因日军主力已相对集中，国军无力围歼。
战至1月16日，日军基本上回到新墙河以北的阵地。第三次长沙会战终以日军完败而告终。
日军第11军最初发动会战的目的是策应香港作战，结果不仅作战时间上比香港作战长，伤亡人数远超香港战役，对侵华日军士气无疑是重创。
特别是在太平洋战场，美英盟军大溃败的情况下；长沙大捷是太平洋战争开始后盟国的第一次大捷，在全世界引起了巨大的反响，受到英美媒体的广泛关注。
这大大提高了中国战场的国际地位和其在盟军中的声誉，为争取外援起到了很大作用。此战被誉为中国抗战首次完整的胜利。
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