1941年12月下旬，作战开始。日军第六师团依仗装备精良强渡湘江北岸渡口及沅水下游，突破了中国军队的防线，并绕过中央阵地直扑汩罗江，与第三师团会合，同时第四十师团也己渡过汩罗江，对中国军队形成夹击之势。中国军队被迫步步退却。这时日方原定的作战目标已经实现，可以收兵了，但阿南将军被轻易获得的胜利冲昏了头脑，渺视中国军队的战斗力，下令继续追击，进攻长沙。这样一来，正好进入了中国军队早已布下的口袋阵。1942年元旦那天，天空阴霾，细雨霏霏。日本木津鹿航空队数十架护航战机及轰炸机飞临长沙上空，与此同时，在湖南芷江机场奉命起飞的援华苏联志愿航空兵及美援华“飞虎队”等组成的3组战机编队早已候在高空云层，于是敌我双方在长沙上空展开了前所未有的激烈空战。双方重炮轰鸣，火光闪耀，硝烟弥漫，大地震颤不己。日军第三师团从东南面，第六师团从东面和北面展开进攻。守卫长沙的中国军队实行坚壁清野且打得非常顽强，在长沙郊外与日军激战，消耗日军的有生力量，然后撤到半边山、左家塘一带的二线阵地继续抵抗，战斗异常激烈。
擅长夜战的第三师团加藤大队和第六师团横田大队在夜色的掩护下，装甲部队当先开路，曾一度突入长沙市区，但在中国军队的猛烈反击下立不住脚，又被迫退回城外，加藤和横田先后战死。在此之后，日中双方的军队陷入了拉锯战的状态，为一条街道、一座房屋反复争夺，双方伤亡都很惨重。与此同时，中国军队第七十七师迅速开进长沙，增援守备部队，而外围的第十九、二十七、三十共三个集团军正向长沙挺进，日军己陷入重围之中。1942年1月4日，日军孤注一掷，对长沙发起全线攻击，企图扭转战局。但在中国军队的拚死抗击下，未得到丝毫进展。这时日军已经粮尽弹绝、疲惫不堪，无力再战了。刚愎自用的阿南将军不得不承认失败，下达了撤军的命令。当天晚上，日军脱离了战场，分多路向沅水下游方向及湘江北岸渡口败退。
当时连日雨雪，气温骤降，道路又被破坏，车辆陷入泥潭动弹不得，飞机也无法出动支援了，这一切都帮了中国军队的忙。在中国军队的穷追猛打下，日军伤亡惨重，直到1月16日才摆脱追兵，退回安全地带。第三次长沙战役中，日军共伤亡五万七千多人，战作战总兵力的一半还多。虽然事情已经过去了一个多月，但小杉讲起来仍然心有余悸。小杉苦笑着说：“记得我们在杭州湾登陆时，长官说三个月之内就能灭亡中国，可是五年多过去了，仗却越打越
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