上高会战后，我军战斗力日渐增强，加之苏德战争爆发，英、美的制日行动亦较积极。日军深恐我军乘机反攻，便孤注一掷，纠集南北战场之精锐部队，在年9月日军集结12万余人再次挥动大旗，发起第二次长沙会战。
9月7日，日军第6师为掩护其第11集团军主力于岳阳、临湘地区集结，向中国守军第4军大云山阵地攻击，次日占领该地，后被守军收复。
9月18日晨，日军第3、第4、第6、第40师团在飞机和炮火掩护下强渡新墙河。第9战区计划对敌节节抗击，待敌进至汩罗江以南福临铺、金井一线时，集中主力反击而歼灭之。但日军攻势凶猛，连续突破中国军队防线，20日即强渡汩罗江，26日突过捞刀河，迅速前出至长沙近郊。
9月28日，日军渡过捞刀河向长沙亘创阳河之线推进。
于29日攻进长沙。这时，日军统帅部认为已达到战役目的，而日军经连日作战，粮弹损耗很大，战线过长，后勤保障困难，遂决定结束作战，并于10月1日开始撤退。
中国军队转入追击和拦截，给敌人一定杀伤。至10月8日，日军退过新墙河，双方恢复原态势。这次“拉锯”，中方伤亡人，日方伤亡人。不过根据日方的统计，中国军队在第二次长沙会战中死亡人数为5.4万人，被俘人数为人。