中国军队在溪边、林下躲避空袭。
就在日军第11军紧张地进行长沙作战的各项准备工作时，有关的情报源源不断地被送到第9战区司令长官薛岳的面前。特别是进入8月以后，日军进攻长沙的迹象日见明显。先有日军第6师团长到新墙河北岸视察的报告，后有日军开始停售武昌至岳阳间的火车客票，而且该区间的列车增多，运输非常繁忙及岳阳的日军强征民夫，加大公路的路幅，增设电话线等各种报告。
关于日军兵力调动情况是：自8月中旬以来，第3、第4师团及第13师团、独立混成第18旅团各一部，由鄂中方面；第33师团一部，由武汉方面，均逐渐向岳阳集中。独立混成第14旅团一部，由赣北方面；第40师团由鄂南方面，逐渐向临湘、岳阳集中。第6师团逐渐向忠坊、桃林、西塘移动。又独立炮兵、独立工兵各一部也由武汉向临湘、岳阳集中；及海军一部，由长沙向洞庭湖集中。到9月初，日军在湘北已增加到上万人的兵力。
毫无疑问，日军要再次向湘北发动进攻了。这一点，作为第9战区最高指挥官的薛岳自然很清楚。但他却在判断日军兵力部署及进攻方向上犯了一个严重错误。
薛岳认为，日军这次进犯长沙，还会在赣北、鄂南助攻，至少要在一个方向上助攻。根据这种判断，第9战区进行了模拟作战演习。兵棋推演的结果是，第9战区完全可以挫败向湘北进犯的日军。这不仅是因为在兵力对比上，第9战区有着很大的优势，而且还因为从第一次长沙会战至今的两年时间里，第9战区对日军的进攻已做了较为充分的防御准备。一方面各部队进行了整训，补充了武器、兵员，战斗力有所提高；另一方面，各部队加强了阵地工事的构筑，这些工事经过两年时间的修筑，已经比较坚固了。而且在本年的3月，薛岳又制定了“保卫陪都作战计划”，令各部队进行整备，同时进行了参谋视察、干部演习、阵地攻防演习等一系列准备工作。因此，此时的薛岳对日军即将发起的进攻非但不惊慌，反倒是胸有成竹，充满必胜的信心。
基于对日军兵力部署及进攻方向上的错误判断，薛岳仍以3月制定的“第9战区反击作战计划第一案”来指导这次作战。
其作战计划是：第9战区在赣北、鄂南方向，对非主攻方面之敌，极力夹击于崇仁、新淦以北，宜春、万载、铜鼓、修水以东，及修水、长寿街、梅仙以北地区，予以各个击破；在湘北方面，敌如以主力由杨林街、长乐街、福临铺及粤汉铁路两侧地区向长沙进犯时，则诱敌于汨罗江以南、捞刀河两岸地区，反击而歼灭之。
具体指导要领是：用诱敌歼灭战法，对于向崇仁、万载方面，修水方面，长寿街方面，平江方面进犯之敌，分别在崇仁、新淦以北及宜春、万载、铜鼓线以东地区，修水东北地区，长寿街以北地区，梅仙以北地区将其反击而歼灭；在湘北方面，则先于关王桥、大荆街及金井、福临铺、栗桥、三姐桥各一带地区，构成纵深强固阵地，节节抗拒敌人，消耗敌力，并彻底转用赣北、鄂南方面兵力于杨林街、关王桥、长乐街、平江、沙市街、永安市方面，自东向西对敌侧击，并以有力兵团紧衔敌尾，南渡汨罗江，对敌尾击，同时，加强并确保外翼，对敌形成反包围。在此期间，要切断敌后续部队，断其补给，使其弹尽援绝，以争取作战的胜利。
当时，第9战区的部队除第15集团军及第1、第19集团军各一部抽调去云南以外，仍有9个军。另外，还有国民政府军事委员会直辖的2个军归其指挥。薛岳分别将其部署在赣北、鄂南、湘北三个方向。各军的具体部署情况如下：
赣北方面：预备第5师警备梁家渡、市汊街之线，赣保安纵队警备市汊街，沿锦河南岸，迄车前渡口之线及港口、南港、周家、七里店各前进据点。新编第3军警备祥符观、峦冈岭、奉新、靖安之线，及西山万寿宫、赤田张、宋埠、乾州各前进据点。第2挺进纵队之赣保第4团警备望湖冈、上东坑之线及茅山、横峰山各前进据点。第74军集结新喻、分宜、彬江、大桥积极整训。第78军警备坳头坪、老塔下、火烧白、观音阁之线，及潭埠、津口、大桥河各前进据点。第72军集结三都南北地区，积极整训，及以一部警备留嘴桥、界牌、东坑岭之线。
鄂南方面：第20军警备杨芳林、港口及斗米山、雪堂岭、通城之线，与堰市、铁柱港各前进据点，并以其第134师集结桃树港，积极整训。第58军之新编第11师警备九岭、琉璃坳、保定关、黄岸市之线，及赛公桥、北港各前进据点，其新编第10师集结上塔市，积极整训。
湘北方面：第4军警备新墙河南岸、公田、杨林街、新墙、庙角、磊石山之线，及桃林、西塘、游港东岸、筻口、草鞋岭、大小桥岭各前进据点，并以其第59师集结瓮江、蒲塘、长乐街、白沙桥、石门痕一带地区，积极整训。第99军第92师集结上杉市、安沙岭积极整训；第197师警备芦林潭、螃市、廖潭口、沅江、汉寿一带湖防。第37军在汨罗江一线；军委会直辖归第9战区指挥之第26军，集结浏阳、普迹及金井一带地区；第10军集结曾家冲、大堡、衡山附近一带地区积极整训。
从上述作战计划和部署中可以看出，薛岳当时并不知面前日军更多确切的情况，他的想法与实际情况相差太远。国民党军队就是在这种盲目的情况下，投入了第二次长沙会战。
所以，国民党军在第二次长沙会战中的悲剧实际上在开战前就决定了。
第二次长沙会战的序战首先在鄂南方面第27集团军的防地大云山打响。
大云山位于湘鄂边境，在新墙河的上游，海拔960米。这里森林茂密，地势险要，属于第9战区的游击区。第9战区的部队常到这里活动，并不时对日军进行袭击。
1941年9月7日晨，集结于忠坊、桃林、西塘之日军第6师团首先向南山、雁岭、鸡婆岭、草鞋岭的国民党守军阵地发起了猛烈攻击。
阿南惟畿令第6师团进攻大云山国民党军阵地，主要是为了掩护其主力向湘北集结，当然击退了该地守军，对其以后的作战也是十分有利的。他原定于5日开始大云山作战，但因为天气恶劣而被迫推迟到7日。
攻击开始后，日军在炮火、飞机的掩护下，从东、西、北三面对大云山守军展开围攻。第58军新编第11师、第4军第59、第102师分别与日军展开激战。战至下午，日军进至南冲、孟城、长安桥、甘田一带。
8日，日军继续攻击前进，并以主力向大云山南、新墙河北之草鞋岭、甘田、港口方面猛攻，企图向新墙河南岸进犯。不料，在其突进至比家山附近后，遭到第4军的痛击，被迫暂缓南下。而第59、第102师及第58军新编第10师仍在白羊田、甘田附近地区阻击日军。
9日，日军一部越过新墙河。杨森立即以第4、第58军及第20军第133师发起反攻，侧击和截击渡过新墙河的日军。经过激战，日军被压迫退回新墙河北岸五龙桥、白羊田一带。
这时，日军第40师团已经到达大云山附近，接替第6师团继续围攻大云山，而第6师团则开始陆续退走，准备与以后到达战场的日军主力共同对湘北发动总攻。
10日，杨森指挥新编10师自东向西、第59师由西向东、第37军第60师由南向北包围日军。战至中午，新编第10师夺回大云山的制高点，并收复了石塘冲、石壁桥，将当面之敌压迫到石庙一线。第59、第102师则全力进攻茅冲、和尚庄、邓家桥一线日军。当天晚上，第20、第58军的攻击队和第6挺进队一部，分途向大沙坪、羊楼洞、赵李桥、石城湾各地之日军进行夜袭。
11日拂晓，第59、第102、第60及新编第10师合力会攻残敌，未及被换走的日军第6师团第13联队被围困在甘田附近，伤亡惨重。正当国民党军各部准备将其彻底消灭时，日军第40师团重松支队赶到，将奄奄一息的第13联队解救而去。
12日，国民党军各部对重松支队展开围攻，并将其截为两部。当日晚，该支队主力进入港口附近，遭到第58、第4军各一部的袭击；而其预备队第235联队后藤大队则被堵于马嘶塅西侧一带，遭到重创。
13日上午，日军第40师团龟川联队在港口北5公里的白羊田南侧一带与第58军发生遭遇战。随后，第40师团仁科联队及师团主力赶到，也投入作战。这样，日军第40师团的两个联队就在白羊田南侧一带东西3公里的范围内，与国民党军混战在一起。激战竟日，双方形成僵局。晚上，第58军又不断对日军进行夜袭。当日晚，青木成一师团长向上级做了这样的战况报告：
师团主力在白羊田南侧击退由13日晨来攻的敌新编第11师的2个团。重松支队正在团山坡北侧附近，与周围敌军交战中。
然而此时坚守马嘶塅北侧高地的后藤大队，仍处于敌新编第10师的包围中，在与支队主力失掉联系的情况下孤军奋战。各种迫击炮、山炮弹射击在面积狭窄的阵地上，并多次与逼近阵地前10米的重庆军反复展开手榴弹战，重机枪也有两挺遭到破坏。
前进到湖野溪西侧台地的师团战斗指挥所，14日下午恢复了与龟川部队的联系，当即命令仁科部队坚守该地东侧台地。此时始得知后藤大队的苦战状况。
师团不期遭遇的敌第58军，为在东方约20公里的黄岸市整训中的部队。师团对其行动毫不知晓。加之，对大云山周围已扫荡完毕的先入为主的思想，因而对我军刚一展开即遭到强烈反击的情况，完全出乎预料。
14日，接到第40师团报告的阿南惟畿于次日晚令荒木支队投入到大云山战场，支援第40师团作战。
荒木支队接到命令后，立即出动。16日夜，当其赶到甘田东侧时，受到新编第11师的顽强阻击。战至18日，该支队终于到达马嘶塅，与在这里已苦撑了数日的后藤大队会合。
阿南惟畿对第40师团的进展情况甚为不满，他认为“第40师团未以全力尽快捕捉当前来攻之敌，似有墨守军最初攻击准备之感”，遂令作战主任“对此加以督促”。
随后，第40师团一面与国民党军作战，一面按预定方案向沙港河右岸集结，并逐渐做好了向湘北进攻的准备。
至17日，日军第11军已经完成全面攻击准备。第3、第4、第6、第40师团在杨林街至沙港河下游一线约20公里之间并列展开。
一场更大规模的战斗即将爆发。
9月18日拂晓，日军第11军发起了全面进攻。
此时夜幕尚未完全打开，若明若暗之中，一阵阵排山倒海般的大炮轰鸣，震撼了寂静的山野。数十架飞机瞬间投下成吨的炸弹。空气被撕裂，大地在颤抖，晨光初现之中，一片血肉横飞。随后，日军步兵在炮火和飞机的掩护下发起冲锋。
阿南惟畿在其日记中曾这样描述当时的情景：8时，阴云渐晴，在“隆隆”的重炮、山炮声中夹杂激烈的机枪声。8时30分，第4师团正面在烟幕掩护下一齐开始前进。8时50分攻破左岸敌军的第一线，继续前进。通过电话向北野师团长祝贺胜利，并勉奋斗。第3师团正面于7时30分开始前进，未做攻击准备射击，即突破第一线，向大荆街突进。第6师团方面炮声隆隆，只见各处村落起火。一场大规模野战正在展开。统率大军亲视战况，指挥会战，正是其时。
守备在新墙河南岸的第4军一部，在日军猛烈的攻击下，阵地很快被突破。杨森急令第58军和第4军另一部迅速由大云山战场赶到新墙河南岸阻击日军，但为时已晚。国民党军第一道防线被突破后，新墙河以西和粤汉铁路的两侧，除了少数警戒部队外，已经没有有力部队可以阻挡日军了。
日军在突破新墙河守军防线后，便如入无人之境，三路日军齐头并进：中路第3、第6师团向草鞋岭、关王桥、长乐街、瓮江等地进攻；左(东)路第40师团从杨林街东侧向平江、三角塘方向攻击，右(西)路第4师团从潼溪街经黄沙街向汨罗江进攻。
早渊支队跟随第4师团由新墙河东南地区突破新墙河南岸阵地后，迅速向鹿角挺进。19日占领鹿角。
平野支队与海军陆战队于17日16时从城陵矶起航，乘汽艇200余艘，民船数百只，在海军20余艘舰艇的护卫下，经洞庭湖向湘江进发。18日在营田以南的下青山强行登陆，击退守军，占领下青山全岛。19日16时占领严廖山，21日占领芦林潭、斗米嘴，将守军第197师封锁在洞庭湖东岸。
此外，日军海军陆战队2个中队于18日在鹿角、磊石山、虾湖山强行登陆，配合早渊支队攻战鹿角后，担负该地区警备。
面对日军强大的攻势，第4军和第58军只能放开正面，边打边撤向东面的山地地带，躲避日军凶猛的初期锋芒，同时从东北向西南尾击和侧击南犯日军。湘鄂赣边区挺进军第4、第5、第8挺进纵队等则对贺胜桥、蒲圻间地区之日军进行牵制作战；第6挺进纵队以一部攻击赵李桥、羊楼洞一带之敌，主力攻击忠防、桃林一带之敌；第7挺进纵队由杨林街、新墙方面自北向南尾击日军。
至19日傍晚，日军第3、第4、第6师团相继到达汨罗江北岸，并有一部进至汨罗江南岸新市、颜家铺、浯口各附近；第40师团则正在向平江方面推进。第9战区令第20军配合第4、第58军扼守关王桥以东、易水以北地区，从日军后方相机攻击。
虽然日军进展迅速，但阿南惟畿为了慎重起见，并没有急于令主力向汨罗江南岸挺进，而是将渡江时间初步定在9月22日夜。同时，他还决定“在弄清敌本日内的行动后，即行确定22日夜半开始的攻击部署”。
阿南惟畿没有想到，他的这一决定竟然为其带来了一份意外的惊喜和收获。
