第九战区司令长官部并不清楚他们的作战命令再次被人本人破译了，因此按照原计划将司令部于11月18日从长沙撤往湘潭。
与此同时,王耀武的第74军也遇到了麻烦，其先头部队第57师到达捞刀河北岸的春华山附近时才发现春华山已被日军占领,无奈之下第57师只好占领南岸天鹅山,与日军对峙，并且及时上报军部，以便军部迅速做出调整。
阿南唯几的主要目的就是要击溃甚至是一举歼灭第74军，以报上高会战时第11军遭受的耻辱。因此还不等第74军军部做出反应，日军就向天鹅山展开进攻,双方激战彻夜,至19日晨,日军才被击退。第57师乘机反击,夺回春华山,掩护第74军主力集结,随后将春华山移交第58师,北向麻林迎击日军。
19日上午,日军第3师团主力在空军支援下向第57师正面连续猛攻,遭到第57师顽强抗击;其空军部队也遭到国民政府空军以及陈锋所部南下增援的空军部队的拦截，双方于是在春华山上空展开了一场大空战。
这场空战一直进行了1个半小时，中日两国的航空部队军损失惨重，这一仗国民政府空军第4大队、敌飞行大队被击落78架战机，另外还有54架战机受伤，几近全军覆没，而日军第三飞行集团也损失惨重，被击落66架战机，另有28架受伤。最终双方因油料耗尽不得已返航。不过总的来说，这场空战中国空军还是占了上风，毕竟日军被击落的都是最新式的零式飞机，而国民政府被击落的不过是苏联制造的伊15、16战机。
眼见空军进攻失利，日军又投入第3师团一部攻击第57师左翼。第57师乃是王耀武第74军骨干部队伤，是中日战争爆发几年来用十几万人的性命堆出来的精锐，尽管遭到日军左右夹击，而且是以一个师硬抗日军最精锐的第三师团，但是第57师官兵浑然不惧，激战坂田伤亡近3000人,仍坚守不退。
与此同时,第58师在春华山、夏家塘、伍家渡一线,第51师在伍家渡、杨家滩之线,以及协同第74军作战的第37军第95师在王家冲、杨公桥一线也与日军各部队发生激战。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,给了日军以相当杀伤,但自己也受到严重损失,第74军全面陷于苦战。
由于日军早有准备。所以凭借局部的优势兵力。给第74军以重大打击。至22日夜,第74军伤亡过半了，另外还有两名少将旅长战死，还有一名副师长身负重伤。不得已之下，第九战区只好命令第74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。第74军一撤。日军便开始强渡捞刀河。随后直趋长沙,其主力第3、第6师团则由长沙以东向株洲方面突进。
第九战区以及军事委员会很自信。认为日军第11军凭借区区不到5万人的部队是不可能攻破第九战区的防御的，所以他们并未作在长沙近郊和市区防御作战的准备,因此日军突过捞刀河后,长沙无兵可守,市民纷纷逃难,道路为之拥塞,秩序极为混乱。
而从第六、第七战区前来增援的第79军、暂编第2军只有先头第98师、暂编第8师第1旅到达长沙,该两军主力都还在开进途中。
11月23日，第79军第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;战斗至晚,突破第98师第一线阵地,逼近长沙。24日,日军早渊支队再攻破第98师第293团阵地,突进长沙。刚刚到达岳麓山的第79军暂编第6师奉命进入长沙,与日军展开巷战。
至11月27日,日军第6师团也到达长沙,其第3师团一部曾突入株洲,与暂编第2军先头部队发生战斗,暂编第2军随即撤出。日军第6师团一部集结于镇头市附近,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,日军第11军认为已完全达到了预期作战目的,停止了攻势。
原本日军认为已完全达到了预期作战目的。正准备作下一阶段的作战部署时，国民政府突然向第九战区增兵8个精锐师，同时第八战区两个战斗机大队突然由太原转场郑州，然后直接向日军第11军司令部所在地岳阳展开空袭，此战造成日军第11军司令官阿南唯几重伤。
由于事发突然，日军前线的部队根本一无所知，当10余万装备精良的中央军突然出现在长沙外围的时候，日军傻眼了。很快日军就感受到了正面战场的巨大压力，不得已只好放弃彻底占领长沙的打算，全军后撤。
好不容易等到援兵到来，薛岳那容易就让日军从自己手边溜走,当即命令暂编第2军、第79军各向当面日军跟踪追击;命令位于捞刀河、汨罗江南北地区的第74军、第27集团军所属的第4、第20、第58军并指挥第72、第26军以及第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。
与此同时，老蒋也发电报要求：“第九战区应乘敌疲惫,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、第六战区之作战”。
各部队按以上命令,对撤退中的日军展开追击、截击和侧击,给予日军重大杀伤。由于阿南唯几重伤昏迷，第十一军司令部暂时群龙无首。失去了上级指挥的日军彻底被打乱了行动。至11月30日,日军除第3师团全部退回新墙河以北以外,第6师团一部约6000人以及第40师团一部约3800人被国民政府包围在了新墙河以北。
日军中国派遣军总司令部责令前线的部队不惜一切代价将这万余日军救出，但是在国民政府三十余万大军的严防死守之下，日军多次进攻都未能突破新墙河的防御，其空军在此期间多次协同地面部队作战，并且与北方空军以及国民政府的空军进行了了多次空战，双方各有损伤。
截止12月2日，日军被包围的部队弹尽粮绝，大部被消灭之后，剩余士兵全部向国民政府第九战区投降，战局再次恢复战前状态。第二次长沙会战结束。
据国民政府方面统计,整个会战中国民政府第九战区损失兵员高达3万4千余人。其中战死3万一千余人,被俘2300人;第五战区损失1.2万人，其中六千人战死，3千人受伤，另外还有三千人被俘或者是失踪；第六战区损失1.8万人。其中战死八千人。受伤八千人。被俘一千六百余人，失踪以及被击溃400余人。而日军伤亡一万六千余人,其中战死8348人，伤5231人。被俘879人。
尽管从兵员损失方面来看，国民政府依然损失大于日军，其伤亡总数是日军的三倍有余。但是从整个会战的结果来看，国民政府不但守住了长沙，而且还重创了日军。反过来日军非但没有实现攻占长沙的战略目标，而且还损失了大量的有生力量，因此这一仗日军是不折不扣的打了一场大败仗，而国民政府则是却取得了空前大捷。
会战结束后，国民政府向全国各战区以及各省通报了这次会战的结果，并且加以大捷称号，同时向各战区通报被嘉奖的有功部队和官兵，其中第八战区司令长官陈锋以及北方空军参战的三大战斗机大队以及四百多名飞行员赫然出现在了嘉奖的名单上。
此战，第八战区共有2名飞行员晋升为少将，29名飞行员晋升为上校，51人晋升为中校，89人晋升少校，129人晋升为上尉，145人晋升为中尉。参战的飞行员几乎人人都得到了晋升，就连战死的那47名飞行员也得到了国民政府的奖励，追授空军少校，并且下拨了一大批抚恤金。
第二次长沙会战终于以国民政府真正的胜利而结束，陈锋也稍稍松了一口气，尽管冀南方向的战斗还在如火如荼的进行着，但是不管是陈锋还是多田骏等人都清楚，冀南失守已成定局，日军根本无力守住冀南，除非华北方面军愿意孤注一掷，将所有能动用的兵力都调到冀南。
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