日军第4、第3、第6、第40师团、早渊支队与荒木支队，在汨罗江以南击破中国第37、第26、第10军等部防御，乘势向南突进，9月25日前后陆续进抵捞刀河北岸，迫近长沙。
这时，第九战区在捞刀河南北和长沙附近的守卫部队有：第99军、第72军、第26军、第74军、第79军、第37军、暂编第2军。
9月25日，薛岳电令第79军守备捞刀河南北地区，保卫长沙外围；暂编第2军先头部队第8师，限于26日到达朗梨市待命；第74军以两个师兼程向黄花市前进，在夏家塘、春华山、赤石河、石灰咀之线占领阵地，迎击南进日军。
薛岳这一电令，又被日军特种情报部门窃收和破译。
日军第11军司令官阿南惟畿认为：第74军是蒋介石中央军中最精锐部队之一，自1939年9月第一次长沙会战起，曾与第11军多次较量，是第11军的老对手，这次一定要捕捉而歼灭之。
他立即调整部署：令第3、第4师团向捞刀河以南突进；取消第6师团原定占领平江的任务，改向捞刀河谷推进，拦击第74军；令第40师团在扫荡金井附近地区后南下。
9月24日，蒋介石致电第九战区长官薛岳：
“（1）湘北之敌，经各部队奋勇截击，其势已疲，其兵战线亦不易推进，此为我军截击敌人后方、覆灭敌寇之良机。希我全体将士，抱定必须灭敌之决心，纵敌进抵长沙附近，更须再接再厉，抱定必胜信念，猛烈向敌截击，迫使敌人无法立足而击溃之，以争取最后胜利，发扬湘北再捷之光辉。
（2）此次敌人抽调第五、第六战区当面兵力向湘北进犯，敌后异常空虚，第三、第五、第六战区已于23日发动攻势。第九战区方面，应坚决猛烈打击敌人，使其首尾不能相顾，粉碎敌占长沙企图。”
薛岳及军委会原来没能估计到日军会攻入长沙，因而长沙近郊及市区防御空虚。日军突过捞刀河后即向长沙开进。薛岳接到蒋介石电令，即令前来增援的第79军、暂编第2军先头部队第98师，以强行军速度赶往长沙迎击日军，该两军主力都在往长沙开进途中。
9月25日晚，第九战区司令长官部从长沙撤往湘潭。
同日，第74军先头部队第57师，到达捞刀河北岸春华山附近时，发现春华山已被日军占领，随即占领南岸天鹅山，与日军对峙。日军向天鹅山进攻，激战彻夜。26日晨，日军被击退。第57师乘势反击，夺回了春华山，掩护第74军主力集结，随后将春华山移交第58师，北向痳林迎击日军。
27日晨，日军第3师团主力在航空兵支援下，向第57师正面连续猛攻，遭到第57师顽强抗击；日军又投入第4师团一部攻击第57师左翼。第57师伤亡近三千人，仍坚守不退。
与此同时，第58师在春华山、夏家塘之线，第51师在伍家渡、杨家滩之线，第37军第95师在王家冲、杨公桥之线，也与日军第6、第3、第4师团激战。
守军各部队坚守捞刀河两岸阵地，阻击侧击日军，或主动向日军进攻，给日军以相当杀伤，自己也损失严重，第74军全面陷于苦战。至27日夜，薛岳命令该军撤出战斗，东向洞阳市、横江至浏阳河南岸转移，准备侧击日军。日军强渡捞刀河以后直趋长沙，其第3、第6师团则由长沙以东向株洲方面突进。
9月27日晨5时，第98师在长沙以北三窑堂、白茅铺一线与日军早渊支队遭遇，展开激战。日军以航空兵火力支援，连续突击；当晚突破第98师第一线阵地，逼近长沙。28日，日军早渊支队又攻破第98师第293团阵地，突进长沙。刚到达岳麓山的第79军暂编第6师奉命进入长沙，与日军展开巷战。
至30日，日军第4师团也到达长沙；第3师团一部曾突入株洲，与暂编第2军先头部队交战，暂编第2军随即撤出。日军第6师团集结于镇头市附近；第40师团集结于狮形山附近；荒木支队、江藤支队担任掩护后方交通线任务。
至此，阿南惟畿认为完全达到了预期作战目的，即令第11军停止了攻势。
10月1日，日军第11军司令官阿南惟畿下达北返命令：
着第40师团先行，第4、第3、第6师团并行；其中第40、第6师团居右，经永安市、麻峰咀、长乐街之线北返；第4师团居左，沿长沙、湘阴之线北返；第3师团居中，沿左右之间的道路北返。当天日落时行动。
薛岳侦知日军退却行动后，立即命令暂编第2军、第79军各向当面日军跟踪追击；命令位于捞刀河、汨罗江南北地区的74军、第27集团军所属各军和第99军，各依现在位置截击、侧击日军，务使其不能安全渡过新墙河。
蒋介石也发电报要求：“第九战区乘敌疲惫，果敢追击，乘机占领岳阳，并应积极破坏武岳铁路，分向各路退却敌人沿途袭击、伏击，猛烈打击，使其不能退守原防；并牵制防守，滞其向武汉方面转移，以利第三、第五、第六战区作战”。
各部队按此命令，对北撤日军追击、截击和侧击，给予一定杀伤，但未能打乱其行动。至10月9日，日军全部退回新墙河以北，恢复战前态势。至此第二次长沙会战结束。