10月1日黄昏，日军开始全线撤退。为了掩护主力部队北撤，日军第11军做了如下部署：
平野支队在湘阴北方白泥湖岸登陆，占领湘阴，尔后掩护伤员由水路北撤；
第4师团森田支队进占神鼎山北麓，当主力部队全部撤过后归建；
荒木支队在新开港占领阵地，当第4师团经过时随之北撤；
独立混成第14通旅团江藤支队，在长乐至新墙之间掩护兵站，当第6师团撤过后归建。
10月1日夜，荒木支队由狮形山开始向新开港进发。2日晨，在行至麻峰嘴东北地区时与第20军遭遇。荒木支队无心恋战，很快就脱离战场，并于当日到达新开港。4日，又配合平野支队，攻占了湘阴城。由于新20军的报复性攻击，平野支队和荒木支队被新20军以优势兵力彻底全歼。第40师团继荒木支队后也由狮形山开始北撤。在撤退过程中，曾遭到第20军等部队的阻击。
由第4师团指挥的早渊支队于30日夜间开始北撤。10月1日，该支队在捞刀河北岸遭到巧妙伪装的第98师的阻击，伤亡甚众，2个联队长被击毙，余部溃逃。
第3师团10月1日傍晚由金潭附近北撤。2日在枫林港以北地区遇到第99军第99师阻击，3日进到影珠山，又遭第92师拦击，拼命突围始得通过。
第6师团殿后。10月1日傍晚，该师团从镇头市撤退，编成三路纵队北返。在福临铺及检市场等地遭到中**队的阻击，5日晚进到长乐附近。
10月7日，日军渡过汨罗江后，经新墙河开始向临湘、岳阳撤退。为进一步追歼北退之敌，薛长官又重新调整部署：
湘鄂赣挺进军王总司令率3个挺进纵队及2个补充团，切断咸宁、蒲圻间之铁路、交通、通信，断敌归路，阻敌向堙水东北岸逃窜；第78军之新编第16师进攻崇阳之敌及击敌援兵，断敌归路。
第20军暂编第54师以主力攻击大沙坪，以1个团攻击羊楼洞而占领之，由羊楼洞附近切断铁路、公路之交通、通信及击敌援兵。
第6挺进纵队向羊楼司、第7纵队向五里牌截击日军，并确实截断铁路、公路之交通、通信，断敌归路及击敌援兵。
第72、第4、第58、第20军在汨罗江、新墙河间截击、尾击敌人后，第72军向忠坊、临湘；第58军向桃林；第4军向西塘，自东向西截击日军；第20军向筻口、新墙，自东南向西北尾击日军，并力争将其压迫于岳阳附近地区加以歼灭，从而一举而攻占临湘、岳阳。
第26军集结于浯口、长乐街，推进至登龙桥、关王桥，第79军第98、暂编第6师集结于伍公市，推进至三江口、大荆街，策应新墙河北岸各军作战。
第99军第92师、第99师与新20军协力肃清归义、河夹塘、营田一带残敌后，前者在新市南神鼎山东侧地区集结，策应各方作战；后者仍任归义、河夹塘、营田、湘阴一带原防。
10月9日，薛长官向最高统帅报告：败退之敌已溃渡新墙河；从8日上午开始，第72军向忠坊；第58军向桃林；第4军向西塘；第20军向筻口、新墙河北继续猛追，各军除以一部围攻据点之敌外，主力正向岳阳、临湘东南地区挺进攻击中。
虽然第9战区对北撤日军的追击声势浩大，但由于各军在此前都曾遭到日军不同程度的打击，战斗力并不强，再加上在追击的过程中各军之间缺乏相互协调和配合等原因，并未能取得战区所期望的将日军压迫至岳阳附近加以歼灭，进而克复临湘、岳阳的目的。
10日前后，日军全部退回新墙河北岸，双方军队又恢复了战前的对峙态势。
在整个会战期间，为策应湘北主战场作战，日军独立混成第14旅团于9月22日从九江出发，25日向武宁方向攻击；第34师团于9月27日击退锦江北岸之中**队，尔后向奉新方向反转进击，牵制赣北方面的中**队。10月上旬，这两支部队也陆续返回原防地。
会战期间，遵照军事委员会9月20日及以后的一再电令，第三、第五、第六战区各向当面日军发动了范围广泛的袭扰活动，对日军若干据点和交通线形成一定威胁。特别是第六战区从宜昌出发的反攻作战发展到较大规模，使日军受到震撼。其中，第六战区集中优势兵力向日军留守鄂西一带的第13师团主力发动猛烈进攻。战斗进行到10月10日晨，被中**队包围的日军第13师团烧毁了军旗和秘密文件，师团长以下军官们准备好了自尽的场地和用具，并写好了绝命书，等待最后时刻的到来。但这时日军从长沙前线返转的部队为解第13师团之危，紧急车运，其先头已抵荆门附近，第11军决定将早渊支队及第13师团第103旅团在武汉以西的部队都归第39师团指挥，全力向第13师团突进。军事委员会鉴于日军返转部队已接近，为避免陷于被动，于10月11日晨电令第六战区停止攻击，将部队有计划撤至城外，控制要点，进行休整。第六战区的反攻作战至此结束。
第二次长沙会战，历经月余，终于落下了帷幕。
日军“华北方面军”（司令官冈村宁次）为策应第11军的长沙作战，10月2日以第35师团自新乡以南强渡黄河，10月4日却轻易击退第一战区第3集团军部队，占领中原重镇郑州。10月31日，第35师团虽然撤出郑州，返回原防，却在黄河南岸京汉铁路黄河大桥西侧的霸王城要点建立了桥头堡阵地，以2个步兵大队、1个炮兵大队驻守，这为后来日军在河南的进一步作战创造了有利条件。
根据日军发布的所谓战报，整个会战中中**队遗弃尸体54万具，被俘4300人；日军伤11184人，亡5670人。这个统计显然夸大了日军的战果，压低了日军自身的损失。仅仅是新20军在湘阴县城一战所歼灭的日军，也不在少数。不过，从国民政府军事委员会的内部资料看，第74军的第58师伤亡55％，第57师伤亡40％；第37军的第60师伤亡50％，第140师伤亡30％；第4军的第102师伤亡45％；第10军的第3师伤亡35％，伤亡确实十分惨重。
会战结束以后，为了避免会战前期的那种兵败如山倒的全面溃败场面在以后的战事里再度出现，军事委员会在长沙召开了由最高统帅亲自出席，军政部何部长和军令部徐部长共同主持，第三、第五、第六、第九等四个相关战区的高级军官参加的总结检讨会议。
第27集团军杨总司令、第九战区薛司令长官在会上列举出了种种问题，如：对敌情判断不当，友军彼此不信任，致乏协力，部队运动迟缓，师以下军官战术修养不够，指挥能力薄弱，部队纪律太坏，执行命令不彻底，训练不足，仍有呆守阵地的习惯，不知活用兵力、控制预备队等等。其实这些都是部队建设、部队教育方面由来已久且普遍存在的问题，不仅第九战区部队有，其他战区部队也有；不仅此次会战有，其他会战也有。而且这些问题多是针对下级而言，还未涉及高层。
对此有所不满的最高统帅见到刘建业也坐在下面，于是亲自点名要刘建业对整个会战的高层指挥发表看法。
刘建业根本没有想到，自己原本只是老老实实的坐在下面，居然也会被最高统帅亲自点名，还要做那种发言。在这个时候，这种场合做这种发言，实际上纯粹就是得罪人的差事。要是说不出什么有价值的东西，会惹得最高统帅龙颜不悦；可是要是说出来什么，那自己又会得罪一大批人。要知道整个会战里，**方面所犯的错误可以说是一串接一串，从一开始就是在错误的指导思想下作战的；战事的进程里更是错误连篇。这让自己怎么说？
犹豫了一阵，刘建业还是开始了发言。没办法，现在还要在最高统帅的手下混饭吃。什么人都可以得罪，只有最高统帅是千万不能得罪的，当然还有陈长官。至于其他人，多得罪一个也无所谓了。反正自己连何部长那样的军内巨头都得罪深了，还怕再多得罪一个吗？正所谓债多了不愁，虱子多了不痒。
“法国皇帝拿破仑陛下，曾经有一句话说得很好，战争的胜利属于犯错误较少的一方。在瞬息万变，错综复杂的战场形势下，双方都做不到绝对不犯错误。在这个时候，那一方的错误犯的少，错误的影响程度轻，当然最好再能抓住对方犯的错误，那么战争的胜利就会属于这一方。”刘建业一开始并没有直接开始点评，而是先阐述了一下拿破仑那个欧洲的绝世枭雄的名言。先说这句话，也是为在场的上上下下找一个下台的台阶。果然，当刘建业说完这句话以后，台下不少的**将领们都面有戚戚。
“若就此次会战的高层组织指挥而言，至少还可看出以下几个主要问题：
部署指挥不当而陷于被动
军事委员会和第九战区都曾明白指出武汉日军处于第三、第五、第六、第九战区的战略包围中，中**队处于外线（对日军第11军来说），是有利态势。但战略上的外线并不等于战役上的外线，战略上的有利态势并不自然化为战役上的有利态势。对战役的组织指挥来说，最重要的是在战役上争取使自己处于外线的有利的态势，这是保持战役主动权的关键。
但第九战区的战役指导方针和实际部署并非如此，从而一次又一次陷于被动。
该方针中只提到在汨罗江以南捞刀河两岸地区对日军实施反击并歼灭之。这是出于以下估计：日军在突过新墙河、汨罗江后必受到很大杀伤和消耗，战力大减，因而选定在汨罗江以南与其决战是有利的。这只从决战的地域上考虑，而且是一厢情愿，实际上本次会战中日军的兵力相当集中，强渡新墙河、汨罗江时并未受到重大损失，依然保持着强大的突击力。第九战区的设想与战役的实际发展不符，又没有应付意外情况的预案，这是陷于被动的原因之一。”
“再从兵力部署和使用来看，第九战区未将主力控制于外侧机动位置，无论在新墙河南岸还是在汨罗江南岸，守备部队都处于日军大兵团进攻的正面，侧面力量极弱，不可能对日军翼侧构成威胁；日军突破汨罗江后，第九战区仍按原计划将增援的生力军第26军、第10军、第74军全部摆在日军进攻的正面，企图阻止日军并和日军决战，而且是逐次投入，结果反被日军各个击破，徒增伤亡。待到日军突过捞刀河，第九战区已无预备队可用。这是陷于被动的又一原因。
第九战区在作战计划中强调“应运用诱敌歼灭战法”，结果成为一句空话。实际上不是第九战区诱使日军就范，而是日军的快速攻势迫使第九战区手忙脚乱、处处就范。第九战区组织指挥如此，则全战役陷于被动和不利就是必然的了。”
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