从武汉失守到1944年夏秋时节，日军占领长沙、衡阳，有将近6年时间湖南大地成了中、日野战军主力激烈交手的战区。第九战区官兵的主要对手便是以武汉为中心的日本第十一军。

第三次长沙会战是从1941年底开始的，距第二次长沙会战仅两个多月，日军的兵力和位置与第二次长沙会战前同，赣北、赣中仍是第三十四师团、独立第十四旅团；鄂南、湘北仍是第三、第四十师团等两个师团。这场战役的重新发动是和太平洋战争有关的，日军是为了吸引中国军队的注意力，以便完成对香港的进攻。

日军依旧渡过汨罗江，约于战役开始后11天，开始进攻长沙。日军为了把长沙守军一举消灭，在完成对长沙北、东、南三面包围后才开始攻击。凭借步兵的绝对优势，日军冒死进攻，突进市区。守军第十军对于每一个地堡、每一个建筑物，都不轻易放弃，在重要地区，如八角亭至天心阁附近，与日军发生了逐街逐堡逐屋的争夺战。本来地堡的目标是明显暴露的，如日军炮兵占优势，不难破坏，但由于新墙河至长沙的道路，都被中方彻底破坏了，日军仅能用马匹驮来不多的山炮和平射炮。而守军的炮兵，除了步兵炮不计外，尚有重、野山炮四五十门，较日军炮兵占绝对优势，能够有效地压制日军的炮兵。日军飞机不断以三五架至十几架轮番助战，并投掷烧夷弹，但中国方面由于预先构筑了隔火道，没有导致大面积燃烧。第十军由前进阵地的战斗开始，经过外围阵地的层层战斗，至日军接近中山路西段、黄兴路、八角亭、南正街、坡子街以南核心阵地附近时，经过3日的战斗，虽然长沙城市已失大半，部队伤亡约有三分之一，但第十军仍坚持战斗，士气旺盛。

而此时外围的中国军队正在集结，准备聚歼攻城的日军。日军知道能够攻击长沙的时间已不多，从第三、四日起攻击更为猛烈。由于它破坏地堡的火力和技术不够，只好采取越堡进攻的战术，即将成班成组的兵力插到我军地堡与地堡之间的侧面建筑物中，以火力封锁地堡，断绝堡内守兵的饮食。但堡内守兵并不因此而撤退。在这种两军交错的情况下，日军的飞机很难在长沙协助步兵作战，只好对湘江两岸及岳麓山滥施轰炸。第二阶段的战斗以八角亭、南正街方面最为激烈，几度发生白刃战，最后第十军的炊事兵、司号兵都拿起武器参加战斗，日军接连攻击三四日，终未得逞，被阻止在核心阵地以外。中国军队内外联合攻击，日军不得不开始撤退。第十军首先发觉日军由长沙南部撤退，即派小部队向长沙北部、东北部夜袭，这更增加了日军的混乱。当时正值隆冬，日军把大衣、军毯扔了许多；带不了的武器也没来得及破坏。日军非万不得已是不在战场遗弃尸体的，这次却未来得及将尸体烧完。

第三次长沙会战是太平洋战争爆发以后日军遭遇的第一次失败。这次战事取胜有很多原因，比如长沙的道路被彻底破坏，使日军的坦克、重炮不容易通过，火力难以发挥；其次，第九战区的作战计划完善，先将日军引诱到一个袋形地区，然后集中兵力包围歼灭。美国记者福尔曼曾经到战地采访，他写道：“中国第三度的长沙大捷，证明了一个原则，那就是中国军队的配备若能与日军相等，他们即可很轻易地击败日军。”