1月2日晚，蒋介石致电第10军：“此次长沙会战之成败，全视我第10军之能否长期固守长沙，以待友军围歼敌人。敌人悬军深入，后方断绝，同时我主力正向敌人四面围击，我第10军如能抱定与长沙共存亡之决心，必能摧破强敌，获得无上光荣。”以鼓励士气。
阿南惟畿见第3师团攻击顿挫，而第九战区外线兵团正向长沙地区逼近，形势严峻，但仍企图在守军外线兵团到达前攻下长沙，遂于2日夜，令在朗梨市的第6师团从第3师团右翼投入战斗，令在金井地区的第40师团迅速进至春华山一带，对东部山区警戒，保障进攻两师团后方安全。第6师团留第45联队守备朗梨市及附近渡口，其余连夜进至长沙东北郊。
这时进入湘北的日军三个师团已全部投入攻城。守军第10军处于数倍于己之敌围攻中，形势紧张。方先觉下到团部督战，指示每次打退日军进攻后即重编班排，任命指挥员，补充弹药。两昼一夜激战，预第10师营、连、排三级指挥员伤亡大半。城中四个医院伤兵人满为患，许多重伤员因得不到及时救治而死亡。
日军第6师团展开攻势后，第190师阵地成为长沙守城作战的焦点。2日，第6师团攻城北门，受到陈家山阵地守军炮火袭击，攻击受挫。当日深夜，日军潜行到山下集结，凌晨，冲到山顶占领了陈家山。
第190师第570团三次反击未能收复。陈家山失守，北郊与东郊日军连成一片，形势危急。第10军军长李玉堂及各师长均在第一线督战，官兵士气大振，坚决与阵地共存亡。
1月3日拂晓，日军第6师团及第3师团同时发动攻击，第6师团进攻北门至西门间阵地，第3师团进攻东门至南门间阵地。激战终日，日军除第6师团第23联队的第12中队，曾一度由城北向西突至湘江岸边外，其余部队全被击退。
第3师团第68联队第2大队在向东瓜山阵地冲击时，遭到守军预10师密集火力和以手榴弹与肉搏战进行反击，7时许敌大队被被击退，大队长横田庄三郎以下死伤百余人。
1月3日晨，中国第4、第79、第26、第37、第20、第58军，已经全部进入第一次攻击到达线，围歼态势已初步形成。这时日军仍未能完全攻占长沙城。
当日11时，阿南惟畿在司令部黑板上写道：“今更莫把惊惧生，兵家胜败是常情。”以此安慰沉入忧愁中的幕僚们。
17时，参谋长木下勇及参谋副长二见秋三、作战参谋岛村等一起向阿南提出“停止战斗，于4日夜开始反转”的意见。
阿南司令官说：“第6师团刚参加战斗，尚未能收到战果乃理所当然。不能过早地停止攻击，应暂时观察一下情况。”
半小时后，接到第3师团长丰岛“不久可取得战果”的报告。但是参谋长木下勇等人反转决心很坚定。19时，再次向阿南提出“在5日晨以前，必须进到汨罗江北岸，所以必须迅速开始反转”的意见。
此时，日军已经开始争夺浏阳河渡河点的战斗。围攻长沙城的日军第11军粮弹将尽，死伤惨重，攻势屡遭顿挫，且处于被中**队包围状态下，处境危急。阿南惟畿迫不得已，终于决定于3日夜间撤退，并下达了撤退令。
3日晚，薛岳为加强长沙防守和反击力量，令第73军暂第5师接替第77师荣湾市一带防务，令第77师渡过湘江至长沙城内，归李玉堂指挥，为第10军预备队控制于南门口附近。
1月4日凌晨，第3师团在丰岛亲自督率下，向城南修械所守军阵地发起最后一击。战至天亮，日军敢死队队员身绑着烈性炸药冲上修械所阵地，一阵巨响将阵地突破，后续日军猛冲过来，阵地被日军占领。
上午8时，预备第10师陈希尧第30团组织了敢死队，在20余挺机枪掩护下，携带集束手榴弹冲入阵地，接着是一阵惊天动地的巨响。9时30分，30团敢死队将修械所阵地夺了回来。中午1时，日军六百余人再次冲上修械所阵地。守军团长陈希尧率领仅剩二十余人拼死抵抗。……
万危之际，陈希尧突然听到中**队冲锋号声，原来是第28团团长葛先才亲率两个连赶来增援。日军被击溃退回，阵地转危为安。
日军所有进攻，均被中**队击退。第3师团及第6师团，于当日晚乘夜暗脱离战场，由长沙市郊分别向东山、朗梨市撤退。至此长沙地区战斗结束，会战转入追击战斗阶段。