当发现敌人进攻新墙河时，薛岳在长沙长官部召集高级幕僚及直属炮、工兵指挥官开了一次作战会议。他首先指定参谋长吴逸志率领长官部大部人员撤往衡阳二塘（后转至耒阳），其余留在长沙指挥所的，有参谋处副处长赵子立、高参曾举直、炮工兵指挥官王若卿、蔡时雨以及少数参谋人员。其次，在研究作战中，当时与会人员提出了三种对策：一、应按照原定方案作战，如新墙不守，应在汨罗江之线，利用既设阵地与敌决战；二、利用纵深地带逐次抗战，依战况的推移，再视情况而定；三、将敌诱至捞刀河以南，左翼依托湘江，右翼依托浏阳大山，在长沙外围与敌决战。薛岳在听了各方意见后，初尚踌躇，最后他说：“由于长、岳之间的交通我已彻底破坏，应该诱敌至长沙郊区，采取反包围与敌决战，但须先向委员长报告裁定后才能决定。”
新墙北岸全部警戒阵地和前进阵地陷敌之后，关麟征在22日令第三十七军除留罗奇师守备营田外，全部调至前线协同第五十二军巩固新墙南岸阵地。当晚，由于敌我均处于调整状态，战斗暂时陷入沉寂。日军第三师团的一个联队，于同日拂晓前密乘船只，协同敌洞庭湖舰队约千余人，在指挥官东藤少将指挥下，先以一部在鹿角、九马嘴两处分别强行登陆。
２３日午前，日军第六、第十三两师团沿新墙河岸发起全线总攻，并以主攻指向新墙镇、荣家湾之间铁道正面。当天午后，荣家湾、新河镇、杨林街三处阵地同时被敌人突破。此时，窜入洞庭湖海陆混合之敌——洞庭支队，乘新墙河南岸第十五集团军崩溃之际，经荷叶湖窜入湘江之营田附近，在飞机掩护下，于２４日拂晓分别在营田及其附近之新洲、白鱼圻等处强行登陆，与守备该地之第三十七军罗奇师发生战斗。
罗奇部虽得到第七十军一个团的支援，仍未能阻止登陆之敌向汨罗江以南发展。而关麟征的第十五集团军主力在新墙南岸防线被击破后，一直向南溃退，一部竟退至株洲以南醴陵附近之线。此时，不仅经营一年以来誉为铜墙铁壁的所谓“伯陵防线”（薛岳号伯陵）在新墙河畔，全部瓦解，而且长沙方面亦陷入风声鹤唳、草木皆兵之中。
汨罗江畔历来为兵家必争之地；自岳阳陷敌之后，更为湘北战场主要的防线，原由陈沛第三十七军担任守备。２２日，新墙河前线告紧，该军除罗奇一师守备营田江防外，梁仲江、李棠两师调新墙前线，支授第五十二军。所遗汨罗江防务，战区改派第七十军接替。但该军当时尚在长沙以东永安市及浏阳附近地区，距汨罗江畔约有１００里左右之远。２３日午后，新墙河亘九岭全线先后被敌突破后，关麟征集团军和杨森集团军除少数担任掩护及失去联络之小队，在敌人渡过新墙河时，就近退入汨罗江两岸一带山地之外；杨集团向浏阳南北山区；关集团及战区直辖之第四、暂二、新六（该军原驻株洲以南）等军，直向株洲以南渌水之线退却。原向汨罗接防之七十军，在风声鹤唳的情况下，亦于２４日在向北前进中，转而南向醴陵方面撤退。因此，汨罗江两岸在２４日完全成为真空地带。
敌２５日侦知汨罗南岸之守军已向南退走，即分别由浯口、长乐、新市、汨罗渡江，调整部署后，于２６日分三路向南追击；一路，由汨罗沿铁道正面，一路，由长乐沿长、岳古大道；一路，由平江沿长平公路及以南地区直下长沙。汨罗江防线，就此落于敌手。
当敌人突破新墙河防线进逼汨罗时，薛岳下令撤往长沙、浏阳以南各军就地停止于株洲、浏阳之间，并令关麟征集团军后卫之覃师、梁师各以一部设伏于福临铺附近山地，从事敌后活动。
２５日，日军由汨罗分路向长沙进犯，２６、２７两日先后在福临铺、金井等地受到覃、梁两师一部伏兵的袭击，前进的速度比较地减低了。但到２８日上午，敌第六师团主力经白水窜抵捞刀河以北桥头铺附近地区；第十三师团同时窜到了上杉市；第三十三师团之门协联队，在２９日上午亦窜抵永安市附近。截至２９日止，长沙城郊东北６０里左右地区，悉陷于敌。
但是，敌自２３日下午突破新墙河防线向南进犯，到２９日主力到达长沙外围为止，为时已整整一星期；由于携带粮弹均已用尽，而后方补给由于长、岳交通破坏，全赖空投。同时，平江以东、汨罗以南，尚有坚守阵地的我军小部队。因此，日军冲到上杉市、永安市一带地区后，有所顾虑，停止前进。１０月１日，敌第十一军司令官冈村宁次认为事以至此，不可能再有作为，即下令开始北撤；４日越过汨罗，７日上午全部退回岳阳、临湘、通城等地原来盘踞的老巢。
当敌于１０月１日开始撤退的征候传来以后，薛岳即令逗留长沙及已经退到株洲、浏阳、醴陵一带之关麟征集团和战区直辖之各军，转向长沙外围推进，相机向北退之敌跟踪追击。２日上午，第十五集团军所属各军进出浏阳、永安市等地之线，战区直辖之第四军、暂二军进出黄花市、捞刀河南岸地区；３日晨，渡过捞刀河，分向平江、长乐、新市、汨罗之线追击前进。
可笑的是，追击中的各部将官居然将而所谓追击、侧击演变为保存实力的艺术，言追击，则始终与敌相隔一日行程；言侧击，则从未与敌人主力接触。日军摆明是“全师而退”，而我军简直象“送客出门”。
右翼平江以东的“追击”情况比较典型。日军第三十三师团为了掩护正面主力部队之撤退，在社港、献钟、嘉义、长寿、龙门厂等地节节进行掩护，防御第二十七集团军及第三十集团军的侧击。其侧卫曾先后在嘉义、长寿街、龙门厂与杨森部先头部队发生局部战斗，但仅限于小部队之接触，并未追及其主力部队。日军三十三师团亦于７日上午全部经南江桥、九岭退至通城、大沙坪一带。杨森部于８日下午进至九岭及杨林街以东之原来阵地。
左翼方面的日军洞庭支队，于２日午后经汨罗、河夹塘乘浅水舰艇向北逃窜后，原在营田登陆之日军也从水路向岳阳撤走。第九战区根本没无水上部队，无法追击，眼睁睁看着这群强盗踏波而去。
此役，日军集中10万兵力，劳师南征，未能达到歼灭第9战区主力的作战目的，相反，各路均遭到阻击、侧击，部分日军陷于包围，损失较武汉会战惨重。事后日本军部的总结报告也承认：“中**队攻势的规模很大，其战斗意志之旺盛，行动之积极顽强，在历来的攻势中少见其匹。我军战果虽大，但损失亦为不少。”日军在会战前期，攻势行动艰苦，在会战后期，于中方反击下又匆匆撤退，虽然抢到大量粮食补充军需，但士气大受影响。
但中**人的总结远较日军认真，这次战役中，除了在前哨战中，中国官兵表现出了空前高涨的抗日意志，愿随主官与长沙共存亡，不作生还之想。在战斗中，一草一木均被热血浇灌，一砖一瓦皆成钢铁堡垒，将士用命，众志成城，与日军一决生死。在其余各个主阵地和各个大部队的指挥官，不是闻风遁逃，便是一触即溃，甚至出现中下级军官一心求战反受处分的怪现象。一则部队之间的派系冲突，二则保存实力的私心，反映在战场上就是相互不协同，指挥混乱，进退失机，予敌以可乘之机，造成部队的严重损失。在一退数百里的过程中，伤亡溃散的员兵，虽无法作出全盘精确的统计，但根据事后对各部队的补充可以推算出大概，如关麟征集团军共辖１８个团即补充了６个团，彭位仁七十三军９个团补充了３个团；杨森第二十军只６个团即补充了２个团；王陵基两个军１２个团补充了３个团。总之，参加战役只１１个军共补充了４０个团，损失之大令人叹为观止。
战后，薛岳前往湘北各地巡视一周。得知仅上杉市、福临铺、麻林桥、青山市、栗桥、高桥、金井、长乐街、新市、汨罗、营田、长寿街、龙门厂、瓮江等处而言，被日寇烧光的市镇、村庄就有２７０多个，被惨杀的民众达８０００多人，被**的妇女不计其数，其中包括８岁的女孩和８３岁的老妪。又据湘阴、平江、岳阳、华容（岳阳限于新墙河以南，华容虽未经过战事，但由敌洞庭支队抢走的粮食不少）等县的报告，在此次日军进犯期间，除抢走了约５０万担粮食外，在撤退时将运不走的粮食和未收割的晚稻都放火烧掉了。以上种种，让身为湖南省主席的薛岳连续数日眼冒红光。
战役结束后，虽然中**队面临的问题十分严重，但出于鼓舞士气的考虑，中央政府不得不在报刊大肆宣扬在新墙河南岸、汨罗江畔、福临铺附近、长沙外围等处如何血战，如何歼敌，如何侧击、追击、堵击，等等。蒋介石在给薛岳的嘉勉电中也掩饰不住喜悦之情：“此次湘北大捷，全国振奋，诚是为最后胜利之佐证，而对于人民信念、国际视听，关系尤钜。骏烈丰功，良深嘉庆。”
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