1月15日战区天气转好，阿南惟几立即派出18架飞机进行低空轰炸，在空军的掩护下，日军在1月16日成功突围并撤回到新墙河北岸。在12天的撤退中，日军因遭到国军的猛烈围堵攻击而伤亡巨大，仅有1.3万人成功撤回，日军以往不留尸体于战场的惯例也被迫放弃，在战斗地点留下大量尸体未能带回。在湘北地区双方交战开始后，按计划为牵制国军而在赣北地区发起佯攻的日军部队约3000余人在向中国守军阵地发起进攻，但3天后被赣北地区的国军击退撤回原防地。至1月16日，交战双方依旧恢复沿新墙河对峙的战前态势，第三次长沙会战至此全部结束。
结果及后续统计与反响第三次长沙会战，中国军队成功击退日军进攻，据国军战报记载，日军伤亡在65%以上，损耗无计。此战被认为是抗战以来正面战场军事上的重大胜利。
日军战损就防卫研究所在1971年出版的战史丛书所述，日军战死1,591人、战伤4,412人；不过该数据中并未提到因病减员等损失，故该数据本身就是被截取过的结论。除了第6师团的数据混乱，一同遭到包围的独立混成第9旅团日军上报阵亡203人而根据战后所出版的独立混成第9旅团部队史，该旅下辖之独立第38大队同样受创严重，大队本部差点惨遭歼灭，甚至大队长身受重伤几乎丧命，另该大队第三中队近200名参战官兵战后仅存38名（含轻伤者）第40师团所属步兵第236联队在1月9日突围成功前声称死伤者390人，但最后清点战斗兵员仅剩50人，以日军步兵联队编装达2千人以上，实际损失可谓不轻。死伤6,003人只是日军军部高层为掩饰其无能而严重缩水，好呈报天皇之遮羞数字。
但是国军在本役击毙与俘虏官阶未出现大队长以上军衔者，因此可能歼灭了部分营级单位，但未有歼灭团级之战绩；目前虽无准确考证之战果，但日军至少有三个团级单位陷入包围重损，可信毙伤战果应有破万。
更重要的是，1941年12月初日军刚偷袭珍珠港，陆军席卷东南亚，同盟国军屡战屡败，中华民国军队在长沙的胜利显然成为政治上的强心针，进而引起当时世界媒体的广泛关注，美国总统罗斯福称：“盟军的胜利，全赖华军长沙大捷”，英国媒体也用“在此远东阴云密布之际，唯有长沙上空之云彩确切光辉夺目”的标题进行报道。苏联和西方同盟国也有大批记者和参观团来到长沙进行访问。
由于李玉堂等将领指挥第十军成功防守长沙，在战役结束后，原本属“待罪留任”的军长李玉堂升任27集团军副司令，原预10师师长方先觉升任第10军军长，原28团少将团长葛先才升任预10师副师长，其他战斗中获得战功的将领也得到了国军统帅部的奖励。中方此战虽然获胜，但也总结认为在后期截击日军的作战中，国军忽略了重点控制渡河点并未能强力破坏日军渡河设备从而使得日军未受到大建制的歼灭性打击；日方则认为，此战准备不足，在过程中多次更改命令指挥失当，使得作战陷于被动。
后续发展在第三次长沙会战胜利之后，中国第九战区召开了大规模的庆祝大会。在此之后的两年内，日军再没有向第九战区发动大规模进攻。然而，第九战区部队尤其是长沙一线守军由于长期相持亦放松了警惕，日军则在此战后总结了经验教训，于是在1944年的长衡会战中，日军经过充分准备，集中主力20余万人向第九战区发动攻势，并改变进军策略，改由湘江逆水而上先夺取岳麓山炮兵阵地，在1944年的第四次长沙会战中日军成功攻占长沙，并在整个长衡会战中将第九战区击溃而使其至战争结束都再无反击能力。唯在衡阳保卫战中，第十军孤军坚守衡阳长达47天并重创日军，大大延缓了日军打通其“陆上交通线”计划的进程，令日本国内生产原料匮乏，从而为中国军队会同盟军在滇西和缅北的反攻作战及美军在太平洋战场的反攻作战创造了战略优势。
