1941年4月，苏联、美国为了自身利益分别与日本签订《苏日中立条约》《日美两国谅解方案》。6月，苏德战争爆发，欧洲战火愈烧愈旺。日本当局得以集中力量对付中国，为增强对国民政府的军事压力，日军发动“加号作战”，企图“给西部第九战区军队一打击”，以速战速决打垮中国的抗战力量。

 第九战区自第一次长沙会战后，补充兵员，整训部队，加固工事，改造战场，并对原防御计划进行模拟演习。但薛岳沉醉于第一次湘北“大捷”，不注意敌情变化。当日军第六师团出现在岳阳时，薛岳判断敌人是“秋后劫粮”，故沿用原方案，仍分兵赣北、鄂南、湘北三个方向御敌。湘北兵力部署:第二十七集团军总司令杨森部欧震第四军守新墙河正面，杨汉域第二十军守杨林街、港口到通城，孙渡第五十八军守黄岸市、九岭、上塔市；陈沛第三十七军守汨罗江；第六战区支援部队傅仲芳第九十九军防守湘江沿岸。

 9月7日晨，日军进攻大云山。8日，守军撤出战斗。10日，守军收复大云山。薛岳乃令向大云山周围日第四十师团发起攻击。11日至14日，守军压缩包围甘田日军，战斗激烈。与此同时，日第四十师团主力在白羊田也与守军遭遇，展开激战，损失较大。14日傍晚，薛岳令第五十八军、第四军继续猛攻。15日，第七挺进队黎自格第十一支队在长安桥一带击落敌机1架。16日，大云山、南冲、甘田、白羊田、草鞋岭一带战斗仍在激烈进行。

 日军在大云山牵制守军5个师的同时，主力已在岳阳正面集结。17日，日第四师团、第三师团、第六师团、第四十师团主力在新墙河以北由西向东并列一线，荒木、早渊支队配置两翼，形成钳形攻势。18日拂晓，日军分数路同时向新墙河南岸杉木桥沿港口一线20公里正面发起总攻。平野支队由海军护卫，偷袭青山，封锁湘江，策应正面攻击。潼溪街第一○二师阵地遭敌空降兵袭击，全线崩溃。杨森急令第四军、第五十八军放下重松支队，赶往南岸抵挡日军。敌突破第一○二师防线后，迅速占领第九十师阵地，分头向黄沙街、大荆街、关王桥南进。第四军、第五十八军跟在后面，未能超越日军。欧震见敌来势凶猛，乃令各师转向长岳公路以东双石洞、洪源洞、向家洞等山地，暂避锋芒。晚上，日军占领黄沙街、大荆街，并将第四军逼进深山。

 19日傍晚，日军南犯到达汨罗江北岸，第六师团一部先从长乐街渡江。薛岳令杨森指挥第四军、第五十八军、第二十军由北向南尾击日军。20日拂晓，董煜第六十师击溃张家园日军400余人。第四十师团疯狂反扑，使第六十师陷于混战，第五十九师、第九十师也遭重大打击。

 日军轻易突破新墙河防线后，薛岳还未掌握敌人进攻兵力，却怕日军逃走，急于在汨水南岸摆开阵势，提前决战。19日下午，他命令：陈沛指挥第九十五师、第一四○师和九十九军第九十二师、第九十九师死守汨水浯口以西至湘阴一线；第二十六军萧之楚率部占领金井、将军坝第二线阵地，准备决战；韩全朴第七十二军改调平江，支援汨水战斗；战区炮兵第一团开往金井，与重型迫击炮第二团支援第三十七军、第二十六军作战。薛岳还令杨森3个军继续尾追，配合决战行动。

 当日傍晚，日军侦听台破译了战场缴获的守军密电本，当日守军的命令及以后的作战部署均被日军无线电情报侦察台截获。阿南惟几通过空中侦察证实后，立即改变“将主力用于湘江方面”的部署，集中4个师团包围当面之敌，各个击破。

 9月20日，蒋介石指令薛岳利用既设阵地，加强抵抗，“保持主力于外翼，求敌反包围而歼灭之”。薛岳求功心切，竟不待援军到齐，就逐次命令各军进攻。当日，改令第二十六军由第二线阵地推进到浯口至瓮江第一线阵地。与第三十七军成一字排开，结果被敌逐个围歼提供了条件。

 21日拂晓，萧之楚率陈永第四十四师北进，刚至瓮江附近，即被日第六师团包围。萧忙告薛岳。薛令其死守。22日，萧令王修身第三十二师解围，该师刚到浯口，即遭日第三师团围攻，死伤惨重，被迫后退。23日，第六师团绕到第四十四师背后，萧急令丁治磐第四十一师拦截。这时，薛岳才同意萧军退至蒲塘。24日，日军第四十师团压迫杨集团军任务被江腾支队接替后，也参加围攻第二十六军的战斗。日军2个师团跟进蒲塘。萧军奋力反击，未能摆脱被围挨打的局面。25日，日军攻破第四十一师、第四十四师阵地后，又围住了军部和第三十二师，经一场激战，守军溃乱，幸第三十七军一个团支援，才突出重围。

 日军在包围第二十六军的同时，第三师团、第四师团于22日企图将罗奇第九十五师、李棠第一四○师消灭在汨罗江三角地带。罗奇、李棠令所部严守阵地，分头堵击。23日，第三师团攻击李师阵地，李师溃败突围向南撤退。同日，罗师在神鼎山顽强阻挡第四师团攻击，168高地守军全部战死。24日，第三十七军奉令南撤，收容整理。当日军南犯守军第二线阵地时，杨森所部在侧后袭击日军，董煜第六十师猛攻驻张家园日军，全歼400余人。战场群众则冒死支前，抢救守军伤病员。

 25日，日军4个师团继续南犯，在长沙境内金井、福临铺汇合，重创李玉堂第十军，该军一九○师副师长赖传湘阵亡。27日，又击溃增援的王牌部队王耀武第七十四军，该军第五十七师师长李汉卿阵亡。此时，守军第一九七师团长李才佐率部与日军反复争夺湘阴境内的芦林潭、斗米嘴，击毁日中型炮舰1艘、轰炸机1架。

 29日，日军第四师团抵近长沙外围，第三师团一部突入株洲，均遭守军勇猛反击。10月1日，日军粮、弹、油失去补充，阿南惟几遂下令后撤。同日，薛岳命令守军追击。3日，日军猛攻第九十九师二九五团驻湘阴城防营阵地。守军营长曹克人率部顽强抗击，歼敌一部，击落敌机1架。全营除少数潜水突围外，均为国捐躯。

 4日，日军继续后撤。守军被攻后，战斗力削弱，未能有效地追击、堵截日军。9日，日军全部返回新墙河北岸，恢复原对峙态势。

 是役，由于第九战区部署失当，敌情判断有误，重要军事机密被日方破译，仗没打好，共37.8万余人参战，其中4个军遭重创，伤亡失踪7万人，长沙一度被占；但广大爱国官兵浴血奋战，致使日军伤亡48327人（日军自认6868人）。