1941年12月24日，日军强渡新墙河南犯，中国军队按预定计划，逐次抵抗逐步后撤。但日军进展很快，原来预定围歼日军的计划落空。1942年1月1日，日军主力逼近长沙，长沙守军第10军及第73军一部，顽强坚守，日军连攻三天都未能攻下。这时，第九战区和其他战区调集后续部队陆续赶到，对长沙城下的日军形成了合围态势，日军发现态势不利，加上连日作战伤亡惨重，补给断绝，只好放弃进攻后撤。这次撤退遭到了第九战区部队的围追堵截，加上正逢天雨泥泞，道路难行，原来计划四天撤回却整整走了九天，狼狈不堪损失惨重。至1月16日，才撤回新墙河以北恢复原态势。
这次长沙保卫战与前两次不同，采取了后退决战的策略，也就是“天炉战法”，在正面战场逐次抵抗消耗日军力量，为后续部队赶来形成合围赢得时间，虽然没能在最初预定的捞刀河一线实现合围计划，但最后到长沙城下，以第10军的顽强坚守实现了中心开花的战役企图。日军还算清醒，一看形势不妙就立即撤退，如果再耽搁一两天，恐怕损失还要大。这可以说是三次长沙会战中最为精彩漂亮的一战，特别是在太平洋战场上英美盟军一败涂地的情况下能取得这样的胜利，对于鼓舞整个反法西斯阵营的信心和士气意义十分重大。
最后还是没守住
第三次长沙保卫战之后，除了1943年11月常德会战外，整个湖南地区的战事基本上平静了两年多，直到1944年3月日军发动打通大陆交通线的“一号作战”。当时日军在太平洋战场已经节节败退。从东南亚到本土的海上交通线已经被美军切断，为了保持东南亚到本土的交通，日军大本营决心打通从越南经中国、朝鲜到本土的大陆交通线，来替代海上交通线。这条大陆交通线中，中国的河南、湖南和广西等地段还在中国军队控制下，所以日军这次作战的目标就是占领这些在中国军队控制下的交通线。这对于日本来说，是关乎整个国家命运的大事，所以整个“一号作战”计划投入的作战部队高达50万，不仅在中国战场甚至在整个二战期间都是日军规模最大的地面作战。其中用于湖南广西战场的就有36万人，在湖南地区的作战重点就是长沙和衡阳。而且日军对此次作战极为重视，连一贯轻视的后勤保障都进行了精心准备。
和日军的高度重视正好相反，第九战区从司令长官薛岳开始，从上到下都沉浸在三次保卫战胜利的喜悦和骄傲当中，认为日军连遭三次失败，已经不敢再进犯长沙，一派盲目乐观和轻敌。甚至在4月河南地区作战已经全面展开后，依然对即将开始的大战不作丝毫准备，对最高统帅部几次电令加强备战也都置若罔闻。
5月26日，日军兵分三路开始进犯。第九战区调集47个师约30万人，按照第三次长沙保卫战的策略，边打边退，逐步消耗日军，撤至纵深有利地区再行决战。但这次日军早有防范，集中主力于两翼，保障中路部队突进。由于这次日军兵力雄厚，而且准备充分，因此第九战区老一套的战法这回显然不灵了，到6月9日已经逼近长沙外围，6月16日开始进攻长沙。此时薛岳已率领战区司令部的大部分人员撤往耒阳，在长沙留下战区参谋长赵子立。
但是赵子立不是薛岳的亲信，所以他只负责联络，不要说指挥权了，就连建议权都没有。守备长沙的第4军军长张德能是薛岳的嫡系，根本不把赵子立放在眼里，对赵提出以重兵坚守制高点岳麓山的建议自然根本不当回事，仍然按照岳的指示将主力集中在市区。结果日军首先就攻占岳麓山，随后在这个制高点上架起大炮猛轰市区。在日军猛烈炮火下，中国军队的阵地相继被突破。18日，长沙守军第4军只能弃城突围，日军于19日攻陷长沙。
这一次长沙保卫战从进攻市区开始到最后被攻陷，只有短短四天时间。曾经苦苦坚持了五年的抗战名城长沙以这样的方式陷落，实在令人扼腕痛惜。主要原因就是薛岳以代表的第九战区被之前的三次胜利冲昏了头脑，思想上轻敌，战术上固步自封，照搬老一套，在长沙的具体布防上严重失当，这才导致第四次长沙保卫战功败垂成。