1941年12月，太平洋战争爆发后，国民政府正式对日、德、意宣战，第二次世界大战反法西斯战线形成。日军为牵制中国兵力，策应香港作战，发动第三次湘北会战。阿南惟几认为第九战区军队在第二次湘北会战惨败后，战斗力一时难以恢复，遂沿用上次战役部署，于12月13日下达进攻长沙的命令。

 第九战区部队经过整训、补充，士气较高。战区司令部吸取上次失败教训，修改防御计划，调整战略部署，提出天炉战法，决定逐步抵抗，诱敌深入，后退决战，争取外翼。先以一部兵力由新墙河第一线开始逐步抵抗，随时保持主力于外线，俟敌深入长沙东南的浏阳河下游地区，再全力反攻，进行决战。战前，地方政府在长沙、岳阳、湘阴、平江等12县突击组编国民战时任务队，队员达40万人，负责侦察、运输、宣传、救护、慰劳等任务。战区农民主动犁田蓄水，破坏道路，捐物支前，保卫家乡。

 12月18日，第九战区长官部发现日军在新墙河北岸活动频繁。20日，国民政府军委会将第七十三军、第七十四军和第四军共12个师划归薛岳指挥。19时，薛岳下达作战命令：杨汉域第二十军、孙渡第五十八军守新墙河一线；陈沛第三十七军守汨罗江，傅仲芳第九十九军守湘江一线，李玉堂第十军守长沙；罗卓英率指挥所于21日由上高进驻浏阳，指挥萧之楚第二十六军、夏楚中第七十九军及第一九四师准备作战；王陵基率战斗指挥所于21日由修水进驻平江，指挥夏守勋第七十八军和新编第十五师准备作战。杨汉域奉命在第一线坚持10天，他令夏炯第一三三师、杨干才第一三四师分左右防守新墙河正面，各师以连、排为据点，纵深配置，设置网状阵地，以加强防御的稳固性。

 阿南惟几于12月22日由汉口飞抵岳阳指挥所。23日晨，日第四十师团师团长青木成一命令2个联队，分3处通过便桥渡过游港，进袭草鞋岭，于24日15时突破守军第一线据点。杨森令第五十八军新编第十一师增援杨林街。24时，第四十师团、第六师团和元泽支队趁雨雪分8路占领新墙河南岸第一线阵地。

 25日，日军沿粤汉路两侧、长岳古道和长岳公路，分东、中、西三路向南进逼。杨汉域率部依托星罗棋布的据点，顽强阻击。夏炯师王超奎营几十余名官兵全被敌火炮击中，牺牲在傅家桥据点里；吕海群第三营在洪桥据点打退敌数次猛攻，直至全部牺牲，为主力向西侧转移赢得了时间。晚上，杨军各据点均与敌混战，电话中断，伤亡较重。杨命令两师在逐步抵抗的同时，按计划向梅仙、平江以东地区转移，侧击日军。

 26日拂晓，日第四十师团尾追杨军到最后一线阵地；第三师团渡过新墙河，在第六师团右侧沿粤汉铁路南下。杨森急令孙渡率两师夹击围攻杨军之敌。夏师一部在龙凤桥与敌连续交战8小时，杨干才师守卫182.9高地的官兵打退敌人多次攻击。日军称其激烈程度“前所未有”。深夜，敌主力冒雪南进，直逼汨罗江。

 27日，日第三师团、第六师团、第四十师团先后进抵归义北岸兰市河、长乐街附近。日第六师团、第四十师团各一部先后向江北守军警戒阵地进攻，均被击退。第九十九师师长高魁元率部与敌相峙到晚上后，主力撤至牌楼峰、栗桥第二线阵地。

 28日凌晨4时，日第四十师团先头部队攻占长乐街；日第六师团2次用浮桥强渡汨水，大部被击退。第三师团分股南进，守军各团分头截击，将第六十八联队拖住，战斗一天一晚，互有伤亡。分股前进的第十八联队也被第九十二师牵滞。29日上午，雨雪已停，日第四十师团、第六师团分别在长乐、伍公市渡江。第六十师副师长黄保德亲临浯口乌石尖、乌鸦尖前线指挥，团长李道泰率部英勇还击，击退日军5次进攻。当晚，日军全部越过汨水。第三师团遭守军顽强阻击，进展不大，遂以大队或中队为单位，到处乱窜。

 29日晚，阿南惟几命令各师团向长沙追击。30日晨，飘峰山守军第九十五师二四八团团长黄红为国捐躯。当日，日军东路第四十师团突破第六十师阵地，西路第三师团继续南窜，陈沛遂令第九十五师、第六十师按计划撤向捞刀河以北的东面山地，吸引与侧击敌人。第九十九军向西撤至捞刀河以北、粤汉铁路右侧隐蔽，与陈军成东西夹击态势。

 30日，第九战区参与决战部队到达指定地点，薛岳下达决战命令，各部按预定计划从南、东、北向长沙攻击。31日，日军第一线师团窜抵长沙外围；第九旅团、外园支队、元泽支队、野口支队到达汨水以北地区。第十军军长李玉堂率部利用工事，在长沙及其以北地区进行英勇还击与围追堵截，重创进犯之敌。1942年1月2日，第九战区从缴获文件中得知敌粮弹携带甚少，即通报各部，加速行动。3日傍晚，守军7个军对敌形成合围态势。

 日军兵力不足，屡攻受挫，伤亡较大。后方又遭第九战区5个挺进纵队和民众武装袭扰，粮弹更难供应。3日晚，经参谋长木下勇等力谏，阿南惟几被迫下令“返转”作战。4日凌晨，日军先全线猛攻，企图在撤退前攻下长沙，未得逞，遂于当晚四处纵火，仓皇撤退。5日，日军第三师团、第六师团被围于梨、高桥附近，至6日，经日军第一飞行团50架飞机低空助战，才狼狈突出重围。

 7日起，杨森部在福临铺、青山市、影珠山等地拦截、围攻日军接应部队第九混成旅团和败退的3个师团，予以重大杀伤。8日，中国空军第二大队9架飞机与日机8架在新市上空激战，击落敌机1架，击伤2架，中国飞机2架被击落。9日，第九混成旅山崎大队在影珠山被杨汉域军全歼。10日，日第六师团经10余架飞机援救，才突出重围。11日、12日，守军继续跟追。13日，日军在新市、长乐等地集结，又遭袭击，不少日兵争先渡河逃命被溺死，一些高级指挥员乘直升飞机逃走。14日、15日，日军主力由飞机掩护，向新墙河溃退。深入敌后的第一四○师进行截击，毙敌数百名，毁敌汽车30辆，并击落敌机1架。湘北民众以各种方式捕杀迷路、掉队的日兵。16日，敌人退回新墙河北岸。此时，佯攻赣北、赣中的日军也缩回原地。18日，会战结束。

 是役，中国守军上下协调，军民齐心，部署得当，准备认真，使冒进之敌遭到惨败。日军伤亡56900余人（自认5491人），被俘139人。守军13个军34个师约25万人参战，阵亡11259人，伤14779人，失踪2042人，共计28780人。此次漂亮的胜仗，打破了日军不可战胜的神话，振奋了同盟国军民抗战的士气与信心，引发苏、美、英盟国高度关注，提升了中国在世界反法西斯战争中的地位。