1941年，中国的抗日战争已经进入僵局阶段，10月上旬刚刚结束的第二次长沙保卫战给中日双方带来了重大损失，双方都后退回到防区，各自舔伤口，准备再战。
很快，中日战局迎来了一次重大变化。12月7日，日本帝国主义偷袭了美军在太平洋的重要军港——珍珠港。第二次世界战争全面爆发，世界反法西斯同盟的建立被提上了日程。在偷袭珍珠港的同时，日军第23军发动了攻占香港的战役。为牵制日军对香港的攻击，国民政府军事委员会从第9战区抽调了第4军和暂编第2军南下进攻广东。趁第9战区实力被暂时削弱的时机，盘踞武汉的日军第11军在日军大本营的指导下，制定了南下攻击的作战计划，目的是尽量消灭第9战区抗战力量，并完成对重庆政府宜昌方向补给线的全面封闭，进而打击因二战全面爆发而愈发高涨的中国军民抗战士气，同时，南下攻击还有策应第23军进攻香港的意义。
在此背景之下，日军第11军军司令官阿南惟几，决定以第3，6，40师团，另独立混成第14旅团之一个大队为主力发起南下攻击作战，同时以第34师团以及独立混成第14旅团其余部队参与策应作战。计议已定，相关部队开始向预定攻击发起点新墙河北岸集结。
日军第11军司令长官阿南惟几
日军的动静很快便惊动了第9 战区长官薛岳。
此时的薛岳，心情估计不会很好。刚刚结束的第二次长沙保卫战，由于先期的战役部署遭到泄露，导致第9战区步步被动，预先布置的防线几乎都被日军绕过，不仅原先设计的“天炉战法”彻底破产，甚至让日军攻掠了长沙，更有第3师团一部一度突入长沙背后的株洲。最后还是在其他战区的全力配合之下，才迫使日军第11军撤退，虽然在日军撤退过程中国军的追击也给日军造成了比较重大的伤亡，但老虎崽还是感觉面上无光。
国民政府第9战区长官薛岳
侦知日军动静的薛岳，憋足了气力要挽回一把面子，因此，他对战役的部署也是谨慎之又谨慎。首先是重新整合了通讯中心，尽量采用有线方式，以最大限度减少泄密的可能。战役策略仍然是是天炉战法，各军、师依托长沙城北的新墙河、汨罗江、捞刀河以及浏阳河构建立体化多层次防线，在敌正面攻来时，我军在正面节节抵抗，并逐步分梯次向两翼和后方分散转移，在后退中形成对敌人的多方包围，形成炉膛，直至炉底长沙城，当包围态势形成之后，多路大军合围，以达到围歼来犯之敌的目的。为配合天炉战法，薛岳还发动起民间力量，以水田灌水，破坏道路，加坚壁清野的手段最大限度迟滞日军进攻。
12月24日夜，日军第6、40师团向新墙河发起进攻，在优势炮火的配合下，当天便击破了国军第20军布设在新墙河南岸的阵地。第20军依照战前部署，以团为单位，依靠多层次阵地逐步抵抗，有序后退，分批次向战场东南的幕阜山转移。25日，日军第3师团也投入攻击。20军与日军在新墙河以南战场纠缠至27日，随后在第58军接应下撤离战场。
日军突破新墙河防线20军收缩防守
26日，在扫荡新墙河南岸国军残余兵力的同时，日军主力抵达了汨罗江北岸。27日上午，攻击开始。防守汩罗江南岸的第99军、第37军的策略与20军不同，同样是大纵深防御阵地，但在抵抗过后并不是完全退出战场，而是逐步让开正面，全力防守战场两翼据点，为将来的反攻做准备。日军以实力最强的第3师团为右翼攻击国军99军防线，偏弱的6、40师团为左翼攻击第37军防线。在航空兵的配合之下，两路日军分别于28日拂晓和29午时，分别以主力渡过汩罗江。随后，第3 师团向东机动，预备以优势兵力将国军第37军歼灭。但37军主力依托幕阜山和连云山构筑了坚固的防御工事，短时间内日军难以攻克。此时天公来助，在连续几天的大雨，湖南下起了少见的大雪，大大的迟滞了日军的进攻。就这样，在有利地形以及天气的配合下，国军两个军的抵抗持续至30日夜。此时，正面阵地已经全部失守，但两个军建制仍在，实力尚存，并已按照战前部署收缩至战场两侧，负责对正面日军的侧击任务。
汩罗江被突破后两军态势
按照日军的计划，战事到了这一地步，本来是要告一段落的。首先，在二战全面爆发之后，南下策略成为日军的主要战略方向，为筹备南方作战，第11军占区也被抽调了部分部队以及空军，力量被削弱的第11军其实已经很难再像第二次长沙会战那样长驱直入直捣长沙了。尤其是在12月3日发布的关于中国派遣军总司令官的基本任务的《大陆命第一百七十五号》中明确了第11军在日本对美国开战后的作战任务为：“确保从岳州到长江下游的交通，依靠武汉三镇及九江，摧毁敌人的抗战企图。其作战地区大概定为安庆、信阳、宜昌、岳州，南昌之间”。此时阿南惟几将11军的战线推进至汩罗江以南，捞刀河以北一带，不仅已大大超越了这一区域；而且在前面作战中试图围歼国军第37军的目的以失败告终，已经意味着短期内再没有机会能够重创国军大建制部队的可能了。
最重要的是，战役打到此时，局势已经悄然发生了变化。首先，由于此次作战的目的是牵制第23军进攻香港，而香港已经于12月25日失陷，牵制任务已经完成，日军一线部队中弥漫起一股随时准备反转的情绪。第二，由于战前并没有考虑进攻长沙的任务，连续的攻击作战，部队所携带的辎重以及弹药已经所剩无几，继续进攻难免会后力难继。同时，捞刀河与浏阳河之间的区域是薛岳精心准备的决战战场，这一带的道路已经几乎破坏殆尽，连日的雨雪让交通条件更为艰难，日军一旦跨过捞刀河势必陷入举步维艰的困苦境地。
即使这些困难阿南惟几完全考虑到了，但为了进一步牵制中国军队对香港地区的反攻，并进一步打击中国军民的抗战士气，尤其是在第9战区有意放水之下，日军进展较为顺利，阿南惟几可能也感觉打下长沙城应该如探囊取物般容易。在此种种考虑之下，阿南惟几充分发挥了日军军官擅长“违上抗命”的“优良传统”，毅然决然的发动了长沙进攻作战。殊不知，在前方老虎崽精心打造的天炉炉膛此时正烈焰雄雄，随时准备择日寇而噬。
进攻长沙的命令于12月29日下发，当时最为突前的日军第3师由于早有抗命进攻长沙的准备——真是“优良传统”啊，粮秣弹药准备较为齐全，在接到命令当天便向长沙城展开全力突进，至31日下午，已经渡过浏阳河，随后继续南进绕过长沙城，1942年1月1日中午抵达长沙城南，并随即对南城展开了攻击。
第6师团由于正参与对国军第37军的攻击，在行军序列上落后于第3 师团，但在接到命令后迅速脱离战斗，展开急行军，于1日抵达浏阳河畔，在军命令指导下，除一部负责浏阳河渡河点警戒之外，主力于2日傍晚抵达长沙城北面。
长沙城下的鏖战
第40师团正在执行本来应该由三个师团共同执行的对国军第37军的围歼任务，由于3、6师团的脱离，导致第40师团被紧紧粘在了第37军正面，一直处在缠斗当中，根本没有机会脱离战场。对于保卫3、6师团侧背的任务更是有心无力。
阿南惟几仓促中决定进攻长沙的后果，已经开始显现。
防守长沙城的是李玉堂的第10军。第10军在第9战区是绝对的主力军，甚得战区长官薛岳看重。在第二次长沙会战中由于在优势日军的围攻之下丢失了阵地，李玉堂本人受到撤职的处分。李玉堂及第10军全体对此不公对待均是愤愤不平。第三次长沙会战“天炉战法”策略确定之时，第9战区长官部以及国民政府军事委员会均认为在第9战区只有李玉堂和第10军堪当天炉炉底的重任。于是，在蒋委员长的亲自斡旋下，赌气中的李玉堂重新出任了第10军军长，负责长沙城的守备。李玉堂还专门召开了新闻发布会，誓于长沙共存亡。
第10军军长李玉堂
1日中午，先期抵达的3师团展开对长沙南城的攻击，虽然刚刚经过长途急进，第3师团的攻击仍然十分犀利。但由于第9战区准备充分，尤其是薛岳命令疏散驻长沙城内的各政府机关、学校以及全体市民，驻扎于城内的第10军和城外第73军已经把长沙城变成了 一座兵城，第9战区誓把日寇歼灭在长沙城下。战事持续至入夜时分，长沙南城外围的防御阵地近乎被扫荡殆尽，守军背靠城墙，坚持抵抗。期间，第3 师团下辖加藤大队甚至一度突入长沙城内，国军以密集的炮遮断了日军主力的前进路线，突入城内的加藤大队在巷战中被绞杀。战斗一直持续到2日夜，3师团主力始终在城外与国军沿城墙进行激烈的拉锯战，但始终未能进长沙一步。
第3师团是日军三个师团中最为精锐的一个，部队基本齐装满员。但守城的第10军在军长李玉堂“誓与长沙共存亡”口号的号召下也是坚决抵抗，甚至还曾经多次对当面日军发动逆袭。另外，国军仅存的“重器”，布置在长沙城南岳麓山上的15厘米重型榴弹炮也发挥了重要作用，多次以密集炮火遮断了日军的进攻路线，并对日军造成重大杀伤，有力的策应了守城军队的战斗。
3日拂晓，在军命令指导下，已经抵达长沙城北的6师团也参与了战斗，至下午13时，已经攻占了长沙城北的外围阵地。但由于6师团也是急行军赶到战场，路上丢弃了不少军火辎重，尤其是火炮与炸药严重不足，对长沙城坚固的城墙完全是无可奈何。因此，不得不以轻武器进行攻城的6师团不断有日寇倒在国军将士的炮火下。3师团由于提前进行了两天战斗，情况要更为恶劣，弹药消耗尤甚，部分大队已经出现弹药用完的情况，虽然有部分兵力已经突入到长沙城内展开巷战，但3师团很明显的攻击乏力，没有能够继续扩大战果。
此时的薛岳，正如智珠在握，由于在被击毙的加藤大队长身上发现了记录日军行动的信件，薛岳对日军此时的窘境已经了然于胸。当日军刚刚渡过汩罗江之时，薛岳便命令外围部队共9个军约30个师有序进入预定位置，4日，各军、师已逐步到达作战地点。樊笼正即将织就。
国军如此大规模的集结与调动，自然无法瞒过日军的空中侦察，3日夜，阿南惟几下达了反转令，命令前线作战的3、6师团立刻脱离战斗，迅速北撤。而此时的3、6师团却已经打红了眼，长沙城近在咫尺，却始终不得寸进。李玉堂的情况也用足了气力，不仅自己誓与长沙共存亡，甚至连前线的重伤员也不得下火线，双方进行着以命换命的惨烈战斗。直至保护3、6师团侧后的40师团陷入重围的消息传来，3、6师团才不得不于4日夜转入反转作战。
说是反转，其实就是逃窜。
日军反转后国军的围追堵截
由于负责警戒两师团侧后的40师团始终处于与第37军的缠斗之中，完全无法顾及3、6师团的侧背安全。当日军进入反转作战后，40师团强行脱离战场，部队继续南下至捞刀河边，以接应3、6师团过河，但是一头扎进了国军的包围圈。三个师团就这样相互依靠，交替掩护着缓缓向北转进。简单的说吧，由于国军追击期间天气晴好，控制制空权的日军战斗机可以肆无忌惮的起飞，以直接打击国军部队、提供战术情报支援以及空投物资补给等方式影响着战局。
自12月24日发起攻击，到1月1日攻击至长沙城下，用了7天；而撤退则是从1月4日自长沙城下转入反转，到16日全部撤回原集结地，用去了12天，这还是在日军11军其他外围部队以及空军全力支援的情况下。总之，参与第三次长沙会战的3个日军师团在国军的围追堵截下终于在保全建制的情况下逃出生天。
至此，第三次长沙会战结束，战后，战场态势大体又恢复到战前的模样。第三次长沙会战，本来是日军为策应香港方面的战役而发起的，虽然香港最终还是落入了日军手中，但是作为策应的长沙战役却付出了2.5倍于香港的损失（依日军方面的统计）。这实在难说是成功的策应。尤其是在进攻长沙阶段，日军自己也承认“完全跳入了重庆军事先设置的陷阱”。从这个方面来讲，第三次长沙会战是日军的一次重大战略失误，而是国军方面的巨大胜利，也正是这个原因，此次会战被国际舆论所盛赞，称为是太平洋战争以来盟军方面的第一个胜仗。
此次会战最大的遗憾，就是担任主攻的三个日军师团全部以全建制姿态撤出战场。不得不说，在如此优势的战略态势下，以30个师的优势兵力，对3个残缺师团进行围追堵截，竟然不能歼灭其一。固然与日军的空中优势有关系，但国军的战斗力水平可见一斑。薛岳也很无奈啊，兵虽多，不勇，将虽广，又有几个李玉堂呢？
