9月中旬，日军从湘北、鄂南、赣北分三路进犯。第九战区部队凭借有利地形，逐次抵抗，且战且退。至10月上旬，日军虽然已经逼近长沙郊外，但在不到一个月的时间里伤亡惨重，中国宣称毙伤日军4.2万人，显然是有所夸大了，但一般认为日军此战伤亡不会低于2万。在这么短的时间里这么大的伤亡，在抗战初期也是很罕见的。正因如此，日军被迫从10月上旬开始后撤，中国军队随即转入追击，一直追至新墙河南岸，恢复战前态势。
第一次长沙保卫战的胜利主要是日军在战略上战术上的失误，10万部队就想在纵横400公里的广大区域围歼30万中国军队，而且还是兵分三路，实在太高估自己了，因此兵力不足就成了最大的软肋，进攻上难以迅速击破中国军队的抵抗，防守上对新占领地区甚至连一些关键要点都没有足够的兵力守备，因此侧后一再遭到中国军队袭击，导致攻击部队无法集中全力展开进攻，失败自然不可避免。
第一次长沙保卫战后，湖南战场沉寂了将近两年。到了1941年，日本和美国的关系逐渐恶化，走到了战争边缘，因此日军急于给中国一个沉重打击，从而能够从中国战场抽调出一部分兵力转用于即将开始的太平洋战场。
1941年9月，日军投入约4个多师团近10万人开始进犯长沙。在这一地区的中国军队共14个军、36个师，仍是大约30万人。9月7日，日军开始进攻。中国军队原计划在汨罗江南岸组织决战，但是这一地区距离新墙河一线太近，而距离后续部队驻地又太远，因此原来的作战计划无法实现，反而给日军抢占了阵地，将陆续赶来的中国军队各个击破。
雪上加霜的是日军又破译了中国军队的密码，掌握了中国军队的动态，能够有的放失地采取应对措施。比如74军兼程驰援，就被日军掌握了行踪，在春华山遭到伏击。尽管74军猝不及防地遭到袭击，军部都被打散，但毕竟是精锐，在这样不利的情况下依然浴血苦战，也让日军付出了不小代价。从整体上说，中国军队处在全面被动的地位，但抵抗还是相当顽强，日军很多战史资料都提到中国军队“抵抗极其强烈”，白刃战手榴弹战的记载也层出不穷。
到了9月27日，日军一部进入长沙市内，另一部进至株洲，看上去已经胜券在握。就在这时战场局势开始转变了。日军虽然进至长沙，但孤军深入，战线延长，兵力不足，后方空虚等问题也都暴露出来。第九战区已经陆续调集了约10个军的兵力于平江、浏阳一线，严重威胁进犯长沙的日军侧翼，同时破坏日军后方道路，使日军物资补给陷入极大困难。到10月上旬，日军只能被迫向北撤退，中国军队随即展开追击，于10月中旬追至新墙河，恢复战前态势。
这一战，中国军队先败后胜，前期失利的原因是兵力部署失当，预定决战地点选择不合理;后期转败为胜的主要原因是正面顽强抗击，侧后积极活动，使日军前进困难补给断绝，又面临受到侧翼夹击的不利态势，只能撤退了。
第二次长沙会战结束还不到两个月，日军又发起了第三次对长沙的进攻。一方面是为了挽回上一次失败的颜面，另一方面是为了配合刚刚爆发的太平洋战争在东南亚的进攻。不过这次日军攻势投入兵力只有7万人，明显少于前两次。中国军队认真总结了两次会战的经验教训，制定了逐次抵抗、诱敌深入、在预设战场四面合围的计划，也就是第九战区司令长官薛岳提出的“天炉战法”。