这时，日军青木第40师团在大云山附近接替神田第6师团攻打大云山，而神田第6师团则抽身退走，准备与陆续投入战场的日军主力共同对湘北发动总攻。这个交接过程非常迅速，当面的中国守军竟毫无察觉。
第二天，鲁道源首先率领新编第10师反攻，战到中午，这位滇军的佼佼者把旗帜插上了大云山制高点，收复了石塘冲和石壁桥，将当面的日军压迫到石庙一线。
11日拂晓，新编第10师、第59师、第102师和第60师合力会攻残敌，把没来得及换走的神田第6师团的重松第13联队围困在甘田附近。重松看到部队死伤惨重，而对方攻势有增无减，便准备剖腹自杀。中国军队4个师正在全力发动最后一击，青木第40师团的荒木联队赶到，和奄奄一息的重松联队一起稳住了阵脚。
日军两个联队合力反扑，13日和14日，大云山战场上的中日军队开始了对峙拉锯战。14日傍晚，薛岳命令杨森，部署孙渡第58军向西面和西南面挺进，欧震第4军向西面和西北面攻击。第二天，杨森接到报告，得知新墙河北岸日军正在架设浮桥，岳阳方向已有几万名日军集结和行动。杨森立即意识到，日军即将发动大规模总攻，大云山只是一个局部。于是他急电薛岳，报告了自己的判断。但是，杨森不甘心放走已在甘田成为“瓮中之鳖”的两个日军联队，他在向薛岳报告军情的同时，决定先消灭这股日军，再做下一步打算。他命令孙渡和欧震赶到前线指挥，师长一律在前线督战，各部于17日拂晓发动猛攻，务必一举歼灭甘田之敌。杨森没有料到，日军已经完成攻击准备，4个师团主力已并列第一线，另有两个支队配置在侧翼，摆开了一个钳形攻击的架势，一场更大规模的战斗即将爆发。
18日，日军开始总攻。4个师团同时出动，向新墙河杉木桥沿港口一线20公里的守军正面阵地发起全线猛攻。拂晓时分，40多门大炮同时开火，淹没了山野的寂静。50多架日军飞机在一瞬间倾下成吨的炸弹。
守军战士们刚刚抖落头上的尘土，只见几十辆装甲战车排成一线，向他们挤压过来。守备新墙河南岸阵地的欧震第4军，已将两个师的主力抽调去围攻甘田附近的日军，防线上只剩下第90师一个团和第102师的部分兵力。一线守军兵员匮乏，只能以惨烈的拼杀来阻挡日军推进。
两军正在激战，鲁道源第10师阵地后方突然降下日军伞兵，师部遭到伞兵袭击。接着，日军伞兵和正面攻击部队前后夹击，不到两个小时，鲁道源师全线崩溃。日军突破这块阵地以后，迅速向两侧攻击，第90师挡不住两面涌来的日军，很快就丢失了阵地。杨森发现，日军攻势的迅猛，投入兵力的巨大，超乎自己的预料。他命令部队放弃对被围日军的攻击，由孙渡率领第58军和第4军两个师的主力，迅速赶赴南岸抵抗。但是，守军一线已被突破，新墙河以西和粤汉铁路两侧，除了少数警戒部队外，已经没有主力部队阻挡日军了。
与此同时，日军平野支队在海军和空军协同下，向湘江口西侧上、下青山发起攻击，登陆成功，封锁了增援第9战区战场的通道。
薛岳已经判断出，日军投入的力量比第一次大，攻势凶猛很多。他急电军事委员会，请求增派三到四个军参战。此时，新墙河阵地已被攻破，他急忙命令陈沛军两个师死守汨罗江南岸的浯口、骆公桥、营田和湘阴一线，把傅仲芳第99军两个师拨归陈沛指挥。命令萧之楚的第26军占领汨罗江南岸金井到将军坝第二线阵地，准备与日军决战。命令韩全朴第72军改调平江，支援汨罗江战斗。命令战区炮兵指挥官王若卿率领炮兵第1团开往金井，指挥该团与重型迫击炮第2团，先协助陈沛军阻挡南犯日军，然后支援萧之楚第26军攻击。命令杨森指挥欧震第4军、孙渡第58军和杨汉域第20军在日军侧后从北向南进行侧击或迫击，尽可能消耗日军。
在两军鏖战的关键时刻，远在重庆的蒋介石，密切关注着湘北战局的发展。军委会的高参们已经和薛岳一样，意识到日军这次攻势非同小可。
19日傍晚，薛岳向各军下达的作战命令被日军破译。阿南派飞机进行空中侦察，然后将侦察结果与截获的电文对照，证明电文并无虚假，于是向各师团发布命令：“决定于22日黄昏开始行动，在捞刀河以北地区捕捉歼灭当面之敌。”
21日拂晓，萧之楚率领陈永的第44师作为先头部队，向指定地点进发。疲惫的陈永师刚刚到瓮江附近，早已集结在这里的日军神田第6师团便猛攻过来。陈永师猝不及防，被猛烈的炮火打蒙，等到反应过来，已被日军包围起来。
萧之楚指挥部队迅速占领有利地形。阻挡日军的进攻，日军火力不断加强，陈永师伤亡惨重。制高点几乎都被日军占领，居高临下的火力，压得陈永师抬不起头来。他急调王修身的第32师前来解围，并命令陈永死守待援。王修身当过冯玉祥卫队旅的旅长，是西北军中能征善战的名将。他立即命令部队急行军，驰援陈永师。22日，王修身师在路上被日军丰岛第3师团三面包围起来。日军枪炮齐发，部队伤亡严重。王修身立刻意识到，日军早就埋伏在这里等待他了，要把他的全师一口吃掉。他不敢恋战，命令部队边打边退，迅速稳住了阵脚，丰岛第3师团的包围落了空。
23日，神田第6师团一部向陈永部队背后运动，企图四面合击。第二天，萧之楚军向蒲塘突进。日军两个师团跟踪追击到蒲塘，再度对萧之楚军形成包围。25日，日军用凌厉的攻势，攻破了丁治磬师和陈永师阵地，把第26军军部和王修身师团团围住。这时，日军侧后突然响起剧烈的枪声，陈沛军一个失去联系的团开到蒲塘附近参加战斗，救了萧之楚军一命。
可是，陈沛军也是自身难保。守备洞庭湖与汨罗江所形成的三角地带死角的罗奇的第95师和李棠的第140师，正在遭受日军丰岛第3师团和北野宪三第4师团的围攻。中国守军以惨重的伤亡为代价，坚守在阵地上。这时，突入侧后的日军偷袭部队，摸到李棠师后方的伤员收容所，200多名轻重伤员被全部杀害。罗奇师在神鼎山顽强抗击北野师团的攻击，一直坚持到第二天下午3点，168高地的守军全部战死才撤退。
危难之际，陈沛接到薛岳的命令：南撤收容整理。与此同时，薛岳命令李玉堂的第10军策应陈沛军作战，李玉堂派出第190师、预备第10师和第3师投入战斗。但为时已晚，日军4个师团在沉重打击萧之楚军和陈沛军之后，继续南进，已经在福临铺和金井地区汇合，对刚刚到达的李玉堂军形成包围。
此时，陈沛电请朱岳190师火速北上解围。朱岳率领部抵达神鼎山附近，正要投入战斗，李玉堂转达薛岳的命令，让他将部队拉回福临铺防守。原来，薛岳想在金井和福临铺部署一道防线，由李玉堂军和陈沛军阻止日军南下，等待王耀武军和夏楚中军的增援。
朱岳率部回防，刚进入阵地时，正是清晨，经过一夜急行军的官兵来不及休息，日军飞机就飞临阵地上空进行轰炸。紧接着，尾随而来的日军在炮火掩护下发起了攻击。这时，1000多名日军向梁家塅西部直捣过来，朱岳只能率领直属部队应战。战斗中，师指挥所被日军飞机的炸弹命中，朱岳负伤无法继续指挥战斗，由副师长赖传湘代替指挥。
日军再次猛攻，赖传湘端起枪冲上第一线拼死厮杀，不幸阵亡。师部能战斗的人员仅剩10名，一时群龙无首，阵地陷入混乱。师参谋长陶修代理副师长，率领师部残余人员突围，在株洲收容部队。
方先觉的预备第10师在金井一线的处境也很困难。神田第6师团在飞机掩护下分三路猛扑过来，阵地大部分被炸毁，双方处于激烈混战状态，伤亡都很严重。这时候，日军的另一个支队又向南迂回，抄袭方先觉师阵地后方，企图切断守军退路，形成四面包围。方先觉只好收拢部队，占领学术桥一线阵地。但是，丰岛第3师团又在这里发动攻击。方先觉见抵抗无望，只得下令各团自行组织撤退突围，于27日在长沙以北收容集结。
与此同时，周庆祥的第3师左右两翼阵地，分别被北野师团和第3师团紧紧围攻。激战中，神田第6师团和青木第40师团各自击破当面的中国守军，一齐向南涌来，周庆祥师顿时被日军切成了好几段。周庆祥看到敌我力量悬殊太大，命令各团突出重围。
湘北三个主力军迅速被日军逐个击溃，汨罗江防线被突破。薛岳看到了不愿看到的局面。眼见得日军向长沙步步紧逼，薛岳手中只有一张王牌可用了，那就是山东人王耀武指挥的第74军。
王耀武立即率领3个师和军部向长沙进军。他不知道，日军早已从电台通讯中截获了他这个军的动向，正张开一面大网，企图歼灭他们恨之入骨的这支中国王牌军。王耀武军通过浏阳城西的蕉溪岭隘道时，日军飞机轮番轰炸扫射。这条羊肠小道约有七公里，两面都是石山，王耀武军无处躲藏，遭到沉重打击。
王耀武预感到当面的日军数量不少，而且是以逸待劳。他不能坐以待毙，遂命令余程万率领第57师两个团向春华山行进，李翰卿率领第51师的两个团在春华山以北向东侧击，支援余程万师。李翰卿的部队到位以后，他手持冲锋枪率部进攻，以猛虎下山的气势打得日军抬不起头来。眼看日军就要溃退，但是日军的增援部队到达了，李翰卿的部队有被包抄的危险。
李翰卿知道只能前进不能后退，否则不但自己的阵地不保，日军还会压向余程万师的阵地，导致全线溃败。他举枪率先冲向日军阵地。士兵们一阵呐喊，猛冲猛杀，日军死伤无数。而李翰卿身中三弹，为国捐躯。李翰卿师的进攻减轻了余程万师阵地的压力。
余程万师在阵地右侧和日军激战，日军北野师团又从左侧增援，余程万师两面奋勇迎战。打到29日下午，日军的凌厉攻势都没奏效，只得重新部署。余程万师一天急行军后激战一昼夜，伤亡了3000多人，战斗力锐减。
与此同时，廖龄奇的第58师打退了神田第6师团一部的进攻。第二天拂晓，日军开始新的攻击。廖龄奇师经过长途行军，又遭到日军侧后袭击，全师阵地被日军切割成好几段，各级指挥官对部队失去了控制，而日军还在不断地增兵进攻。激战四个多小时后，廖龄奇师全面崩溃。
第74军面对日军4个师团的进攻，独力难支，而王耀武手中没有其他部队可以增援，遂命令李天霞师迅速占领阵地阻击日军，收容廖龄奇师的溃军，同时命令余程万师在石塘铺一带阻击南进的日军。
74军调整部署以后，将士一同奋力，打退了日军的多次进攻。黄昏，日军再次猛攻第51师阵地。李天霞看到日军的进攻集中在一个窄面上，显然是想攻取一点，突破阵地。他担心这段阵地被突破，便急调兵力增援，擅自将部队向东收缩，在阵地上让出了一个大空隙。日军立即蜂拥而上，打开一个缺口。
日军打破夜间不轻易出击的常规，派大部队夜袭王耀武的军部，将军部直属部队打散。王耀武只得靠着卫士排掩护仓皇突围。
薛岳没想到王耀武军失败得如此之快，伤亡如此之惨。更令他不安的是，第6战区和第7战区的增援部队尚在途中，他手中没有强劲的部队来阻止日军进攻长沙了。薛岳只好命令敌后的欧震第4军、孙渡第58军和杨汉域第20军向长沙靠拢，又命令萧之楚军、陈沛军、李玉堂军和王耀武军的残部，也向长沙方面的日军发起攻击。
30日，陈诚第6战区王甲本的第98师到达，立即占领长沙北侧两公里处阵地，当晚就与最先向长沙城发动攻击的日军早渊支队接战。王甲本打算将日军阻遏在长沙郊外，命令部队主动进攻。战至第二天拂晓，早渊支队的主力到达，依靠飞机支援，突破了王甲本师防线。当天下午，早渊支队从长沙城的东北角冲入，守住新开铺至武城门一线，掩护日军其他部队入城。
当天，余汉谋第7战区邹鸿暂编第2军的暂编第8师，赶到了长沙东郊左家塘附近，获悉日军已从北门进攻市区，就改向郊区的日军攻击。
10月2日，夏楚中军的赵季平暂编第6师到达岳麓山，东渡湘江，驱逐进攻长沙的日军。赵季平率师主力渡过湘江后，向长沙城内的日军发起攻击，与早渊支队发生巷战。这时，日军北野师团主力也开到了长沙，丰岛第3师团、神田第6师团和青木第40师团全部到达长沙外围。赵季平见双方兵力悬殊，便率部撤到城外。
日军攻占长沙后，以北野师团留驻长沙，丰岛第3师团继续向株洲方向追击，企图歼灭南撤的中国军队。
4日清晨，丰岛第3师团的一个骑兵大队突进东山附近。杨宏广新编第3军的新编第12师刚刚抵达马鞍山和白田铺一线布防，用轻重机枪向日军齐射，日军骑兵大队四处逃散，失去了战斗力。
两小时后，日军后续部队的4000多名骑兵，在30多架飞机的掩护下赶来增援，企图包围新编第12师。第12师面对强敌，愈战愈勇，打退日军的多次进攻。下午，日军又增加兵力，攻势空前猛烈，眼看就要攻入守军阵地。刘世焱团长端起一挺机关枪，纵身跃出战壕，向日军猛冲过去。战士们紧跟着向日军冲去，将日军的攻势压了下去。冲在前面的刘世焱，左臂受伤，包裹后再次受伤，胸部又中五弹，壮烈牺牲。
新编第12师刚刚稳住阵脚，敌后的战场上出现了转机。杨森率领欧震第4军和杨汉域第20军向金井方向开进，从北向南到达长沙北面的郊区，准备围攻长沙城。战局的主动权回到了中国军队手中。
阿南惟畿呆在岳阳的指挥所里，神情沮丧。他的50辆装甲车全部被击毁，护卫装甲车的1000多名步兵全军覆灭。
阿南的压力不仅来自长沙。9月26日，陈诚的第6战区以最快速度调集兵力，乘宜昌日军兵力空虚之机发动了大兵团反攻作战。驻宜昌的日军第13师团长内山英太郎向日本派遣军总司令部告急。畑俊六知道，攻占宜昌是裕仁下达的作战指示，如果丢了宜昌，内山被歼，后果过于严重。他急令阿南回援宜昌。阿南惟畿遂命令全线撤退。
薛岳果断地下令追击。傅仲芳军斜插过来，阻挡日军的退路，迫使日军三个师团绕道而行。在阻击战中，傅仲芳军击落日军飞机一架。10月9日，日军退过新墙河，回到原防，筋疲力尽的中国军队，也无力再向前攻击。第二次长沙会战降下了帷幕。
1941年底，日军发动了太平洋战争，中国加入到同盟国行列，并正式向德意日宣战。从此，中国的对日抗战，成为国际反法西斯战争的一个重要组成部分。
