日本第11军司令阿南惟几
然而此时，日军第十一军内部对于是否发起第三次对长沙的进攻意见却较为分歧，不少师旅级高级军官认为：湖南北部从新墙河到长沙一带地形复杂山川河网密布，不利于日军机械化部队行进，无法发挥其优势，因而不赞成立即进攻长沙。唯仅有当时的第三师团长丰岛房太郎是阿南惟几的老乡兼同窗好友，因而对议案表示支持，最后经过争论，阿南惟几坚持决定进攻长沙。阿南作出如下部署：以第3师团、第6师团、第40师团及独立混成第9旅团、第十四旅团，配以空军、炮兵、坦克及海军舰艇共计12万人马，从岳阳逐次突破以攻占长沙。同时，赣北地区日军部队从南昌实行佯攻以牵制赣北地区中国军队。
国军方面1941年10月第二次长沙会战结束后，中国抗日战争第九战区司令薛岳即推断日军定会再次进攻长沙，因而也积极进行准备与动员。虽然日军战前的部署和行动都较为缜密，但第九战区仍从日军赣北部队减少和湘北部队增加等迹象中判断出日军不久即将再次发动长沙攻势，薛岳在总结前两次长沙会战的经验教训后，进一步完善了其“天炉战法”，决定依据湘北的地理优势（即“天炉”），在新墙河、汨罗江和捞刀河之间逐次布置防线，以第二十军、第三十七军和第五十八军等部逐次抗击日军以削弱其攻势，从防线撤退下来的部队并不后撤而是撤向两翼，以长沙城为饵，诱使日军向钻往这个“炉底”，令之前第二次长沙会战期间因作战不利而戴罪留任的李玉堂率领其所部第十军为核心守卫长沙城，把日军牵制在炉底。
同时，第九战区在长沙城西的湘江对岸岳麓山制高点布置炮兵部队支援城内守军，并动员湘北民众破坏日军在战区的交通线，以之前撤往两翼的部队切断日军补给，待日军攻势受挫补给断绝而被迫撤退之时再将之前外围后撤至两翼的部队会同其他生力军共同从东、西、北等各个方向合围歼灭日军，歼敌地点预定在地形崎岖没有大道的捞刀河与浏阳河之间。
薛岳称：“天炉战法，就是在预定的交战区域，构筑纵深网的环形阵地，部署充分地守军，以伏击、侧击、截击等多种方法逐步消耗敌军，消磨锐气，然后再使用优势兵力，施行反击和反包围，对敌方部队予以歼灭。属于“后退决战”之方法，因敌之变化而变化之歼敌制胜方略，如炉熔铁，又如炼丹，故名。”
薛岳 中间
战役进程外围攻防战1941年12月24日，阿南惟几下令进攻长沙，当天日军第6师团与第40师团开始自新墙河渡河，且利用夜袭与炮击辗压守军防线。第3师团与泽支队则在25日早上发起攻击。24日傍晚恰逢寒潮过境，湖南经历少见的低温和大雪，气温从12摄氏度下降至摄氏零下5度，气温遽降不只造成进军困难，也让日军架桥与渡河都因此延迟；经过2天1夜激战后，防守新墙河的国军第20军和第58军遭日军采燃烧弹破坏防御工事，以致伤亡过半。发动攻势的第三天（12月27日）下午，新墙河防线大致遭到瓦解，日军则继续南下朝汨罗江防线推进，而守新墙河的国军则按照预定转移至汨罗江二线阵地和两侧山区转移。
1941年12月26日，先行挺进的第6师团已经开始准备向其前进道路上的第二条河流—汨罗江进行渡江作业。27日，第三师团也开到汨罗江；此时国军防守汨罗江的是第37军、99军和从新墙河撤下的58军，而第20军则在平江和平江以北地区布防，中国军队的防线呈现“倒八字”阵型。日军将攻击重点放在长乐街方向以求尽快推进，日军依靠强大的炮火优势和空军支援不到3日即突破了汨罗江阵地，防守的第20军向东转移至山区，第37军和第58军则向高桥一带和汨罗江、捞刀河之间转移。
12月29日，日军第40师团完成横渡汨罗江之作业；然而12月30日晚上，40师团所辖的后勤部队－辎重第40联队遭到国军夜袭，联队长森川敬宇中校战死。这个不算起眼的损失让40师团前线部队在后勤上陷入险境，也为会战后期40师团提早撤退埋下伏笔。
由于汨罗江大部地区以南原本就是田野，外加雨雪天气导致道路泥泞不堪，而湘北地区的百姓又早就把可以通行的大路大为破坏，导致日军渡过汨罗江后诸如坦克和重炮等机械化装备不仅很难推进反而成为累赘。原本依据先前的计划，日军此次长沙作战之“牵制中国军队以策应香港作战”的原先计划已经达到应当撤退。但日军到经过约一周的激战顺利推进至长沙城外，这一战局得阿南惟几十分兴奋，认为此次可以攻占长沙以雪之前未胜之耻，因而继续命令部队向南攻占长沙。然而，中国军队在湘北作战区让开正面向两翼撤退本身就是按薛岳“天炉战法”的预定计划，诱使日军往“炉底”长沙城的重要环节之一。
撤退与截击在日军大举进攻长沙城之时，薛岳就开始部署对日军的歼灭战，蒋中正不仅应薛岳请求将先前从第九战区调走第四军和七十四军调回，还将七十三军和九十九军也交由薛岳调配，薛岳在得知日军正面临弹药缺乏且补给困难之时，立刻电令第九战区共九个军的兵力从东南、东北、西面和北面四个方向对日军进行合围。具体部署如下：第二十六军和第七十三军在浏阳河一线向北追击；第四军由株洲向北追击；第五十八军和第二十军在汨罗江由北向南堵击；第七十八军和第三十七军由东向西截击；第九十九军在石子铺以北、新市以南由西向东截击。
在1月14日至1月16日，第九战区所部第20军、第37军、第58军、第73军、第78军等部在汨罗江之新墙河之间地区向日军发起拦击、追击和侧击，同日军发生四次激烈的包围与突围战斗，部分国军部队甚至追过新墙河，攻入原本的日军防区，然而始终未能对日军形成完整的大建制的包围和歼灭，日军尽管在撤退中伤亡惨重且极为狼狈，但指挥系统仍能有效发挥，且在极度困难的状态下各部队的战斗意志依旧坚定。
