与此同时，日本为了实现其称霸亚洲的目的，同德国和意大利结成德、日、意法西斯轴心国联盟。在德国和苏联进攻波兰，世界大战在欧洲爆发之际，日本为在亚洲实现建立“东亚新秩序”的野心，不顾在中国诺门坎地区同苏联军队作战的惨败，同苏联达成停战协议，继而同苏联签订《日苏互不侵犯条约》，专注解决中国事变，将原来准备用来对苏作战的七十万关东军，陆续调进关内，加强对关内中国军队的作战。为统一指挥在华的日军，日本大本营决定成立“中国派遣军”总司令部，由日本陆军三巨头之一的教育总监西尾寿造大将出任总司令。
“中国派遣军”总司令部成立后，将原来直接由日本大本营指挥的侵华日军各派遣军划归其指挥。计有华北方面军（辖第一军、第十二军）、华中方面军（第十一军）、华东方面军（第十三军）、华南方面军（第二十一军），以及在华全部陆军部队（注：不含关东军）。
日军“中国派遣军”总司令部成立后，按作战性质和对象的不同，将侵华作战分为 “治安区”和“作战区”二种。“治安区”为已占领地区，只配备一定兵力，维护其“安定”后方的需要和确保各主要战略交通线的安全；“作战区”主要是针对布置在宜昌、长沙地区的中国军队。配置有力机动野战兵团，以不间断的攻势作战，实施局部攻势，以歼灭中国军队主力为目标。
日军在作战区，重点打击对象是以黄埔系中央军为主的中国军队。
在完成机构和作战体系的调整后，“中国派遣军”总司令部决心以驻武汉的日军第十一军担任机动野战兵团，将集结在长沙地区的中国军队中央军主力，作为其首要打击目标。于是， 日军“中国派遣军”总司令部向第十一军下达作战命令，要求第十一军组织其编制内的第六师团、第三十三师团、第一零一师团、第三师团和第十三师团共五个陆军师团，以及海军、空军、生化部队总约十八万兵力，由第十一军司令官冈村宁次中将指挥，同时从江西北部、湖北南部和湖南北部三个方向，向长沙地区中国军队展开进攻，企图围歼中国军队第九战区集结在长沙地区的主力部队，并占领长沙城。
为实现其作战目的，日军第十一军司令官冈村宁次中将决心以军主力第六师团，第十三师团二个师团的兵力担任正面主攻，力争在战役的第一阶段，将长沙方向的中国军队主力消灭在汩水畔。尔后再向长沙发起进攻；以第一零六师团和第一零一师团策应军主力，从江西高安发起进攻，以消灭在江西高安、修水附近的中国军队；以第三十三师团从湖北的崇阳、通城、通山发起进攻，作为正面进攻的次要作战方向，吸引并歼灭驻守在平江的中国军队。
为了达成战役的隐蔽性和突然性，日军各参战部队在完成隐蔽集结后，采用声东击西的战术，对外宣传此次作战方向是以宜昌和福建为目标，以此迷惑中国方面。
各部日军在集结完毕后，第一零六师团于9月15日开始，首先从赣北发起进攻；第六师团和第三十三师团于9月23日，同时从湘北正面和鄂南侧翼向中国军队发起进攻作战。第十一军战斗指挥所于9月13日从汉口推进至咸宁。
就在日军第十一军各部进行隐蔽集结时，国民政府军事委员会和第九战区长官部根据各方情报，发现日军主力各部正向湘北方面集结。军委会和第九战区鉴于湘北沿粤汉铁路及其以东地区均为山岳丛林地带，山势起伏不大，距长沙较近，便于突击，适合大兵团作战。因此，军委会和第九战区长官部判断，日军第十一军的主要突击方向和作战目标是湘北和长沙。集结赣北和鄂南方向的日军，只是为策应湘北和长沙方向作战。针对日军上述作战目的，第九战区长官部作了相应的兵力布置。
第九战区总兵力为五十二万，投入此次战役的部队为四十五万。与日军兵力对比为2。5：1。负责此次对日作战的总指挥是第九战区新近高升的薜司令官。
薜司令官是在陈司令官正式辞去第九战区司令官一职后，出任战区司令官兼湖南省政府主席一职的。
薜司令官新官上任，决心以战区主力部队，利用湘北的有利地形，特别是岳阳至长沙这一百多公里的地段，右有幕阜山、九岭山，自北而南侧峙而立；左有八百里洞庭湖水作屏蔽；中间形成的狭窄通道，以及新墙河、汩罗江、捞刀河和和浏阳河四条水系，形成的四道天然防线，诱使日军向坚固设防的长沙市区进攻。待日军久攻不克，疲惫之际，将进攻之敌围歼于长沙地区。
为打破日军三路进攻计划，长官部决定在赣北、鄂南方面，先集中优势兵力，首先击破此二路日军策应作战的企图，以保障战区主力部队在湘北方向的作战。
对这种打法，薜司令官称之为：“争取外翼，后退决战”的方针。
当时，第九战区作战序列内，共有七个集团军二十个军四十七个师的兵力，沿长江右岸至洞庭湖北岸，新墙河南岸至汩罗江南岸，奉新至高安，上高沿锦江一线阵地布防。
九战区长官部以三十二个师的兵力担任一线、二线守备任务。以十五个师的兵力作为战区总预备队，配置在湘西和湘南地区。
兵力部署上：以第十五集团军所属三个军的兵力，担任湘北正面一线、二线防御作战任务；以六个师的兵力，配置在长沙附近担任战役预备队。
右面侧翼赣北方向，由第一集团军所属的二个军兵力担任一线防御作战任务；以战区直属二个军的兵力担任二线作战任务；
鄂南方向：集中了第二十七集团军三个军和战区长官部直属的一个军，共四个军的兵力，部署于通山、咸宁地区，用于策应湘北和鄂南作战。
独立第一师作为战区战役预备队布置在湘西。当日军频繁在岳阳一带大规模进行军事调动时，孙师长和罗参谋长就被战区长官部电召到长沙参加军事会议，讨论作战方案。
任务确定以后，九战区各部官兵严阵以待。
9月15日凌晨，第一次长沙会战首先从赣北方向打响。日军第一零六师团主力以及第一零一师团的一零二旅团，按照第十一军的命令，首先从赣北奉新向大城镇以西的莲花山和高安地区驻守的中国军队发起牵制性进攻。意在转移中国军队的注意力，为隐蔽其主攻方向而实施的战役性佯动。
湘北方向是日军发动长沙战役的正面重点进攻方向。
担任此次长沙战役正面重点进攻方向的日军第六师团及奈良支队，将从湘北方向进攻中国军队的作战时间，定为1939年9月18日。日军选择在这天发起进攻，意在重温1939年9月18日“沈阳事变”以少胜多的辉煌。
1939年9月18日凌晨，日军第六师团及奈良支队在飞机、坦克、大炮密集火力支援下，开始向驻守在新墙河以北的中国军队第十五集团军前沿阵地发起攻击。
而这一天，正是中国军队报仇雪耻之日。
日军的进攻，遭到中国军队第十五集团军一线守军的坚决抵抗。激战四日，日军第六师团及奈良支队毫无进展，中国守军仍然坚守在新墙河以北一线主阵地。
日军久攻不克，在付出重大伤亡后，仍然未能突破守军主阵地。冈村宁次决心调整兵力部署，采取正面进攻和侧翼进攻相结合的战术，首先击破湘北正面中国军队的一线防御。
9月23日拂晓，冈村宁次命令第六师团及奈良支队重新组织进攻。第六师团及奈良支队在强大炮兵火力的掩护下，强渡新墙河，向守军主阵地发起总攻。为配合第六师团及奈良支队总攻，日军上村支队于9月23日清晨六时三十分，从汩罗江口的营田实施登陆作战。在其海军舰队舰炮和飞机的支援下，上村支队突破湖岸中国军队的防线，溯汩罗江向东突击，企图切断汩罗江以北中国守军第十五集团军部署在一线阵地二个军的退路。将守军一线部队和二线部队之间的联系割裂，达到围歼一线部队二个军的目的，取得第一阶段作战的胜利。
鉴于战场形势发生急剧变化，薜司令官急令第十五集团军担任一线阵地守卫任务的二个军，立即放弃一线阵地，转入二线阵地协同担任二线守备任务的二个军继续阻击日军的进攻。
鄂南方向的日军第三十三师团，在第六师团及奈良支队从湘北正面发起进攻后，作为此次长沙战役正面作战的次要进攻方向，也从湖北的崇阳、通城、通山一线，向通城以南的中国守军第二十七集团军前沿阵地发起进攻。以配合左、右两翼第六师团及奈良支队和第一零六师团在湘北及赣北方向的作战，围歼平江以北的中国守军第二十七集团军。
第二十七集团军是第一批出川参加抗战的部队。该集团军先后参加过淞沪会战、南京保卫战和武汉保卫战，在抗战中以作战英勇顽强而著称。武汉保卫战结束后，该部官兵一直驻守在湖南的平江。此次日军发起长沙战役，企图一举歼灭这支川军部队。
9月21日，日军第三十三师团为配合左翼第一零六师团，右翼第六师团和第二十六旅团发起的进攻，遭到第二十七集团军的阻击和侧击，伤亡惨重。
从9月14日，日军从赣北方向发动进攻开始，战至9月27日，日军第十一军各主力师团从三个方向发起的进攻，除湘北方向进展较大外，赣北和鄂南方向的进攻遭到中国守军的顽强阻击，处于胶着状态。
而湘北方向，日军上村支队登陆成功后，溯汩罗江向东突击，占领新市。同第六师团汇合后，兵分二路：一路由上村支队继续沿粤汉铁路南进，向长沙方向进攻。另一路第六师团则由汩罗江向南突进，配合赣北和鄂南方向的进攻，企图切断中国军队二线部队的退路，聚歼中国军队。
战场形势已到决战阶段，从赣北和鄂南二个方向进攻的日军，在中国守军的坚决阻击下，进攻的势头已被削弱，没有任何进展。担任阻击任务的第一集团军和第二十七集团军的主力作战部队，战斗力犹存，且地形对我方有利。决战的时刻已经到来，薜司令官决心集中我军主力打击从湘北方向，孤军深入进攻长沙的日军上村支队和第六师团。为此，薜司令官决心加强正面防御作战力量。将部署在长沙附近，担任战役预备队任务的六个师，抽调三个师投入到铜官—福临铺—金井二线阵地，以加强二线防御力量。从湘西抽调战役预备队投入湘北的战斗，将日军上村支队和第六师团歼灭在长沙城外的捞刀河至汩罗江之间的水网稻田地带。
战前，由于湖南各地抗日组织广泛组织民众，将日军可能进攻路线上的道路全部破坏，进行广泛的坚壁清野，迫使进攻湘北的日军上村支队和第六师团携带的重武器寸步难行，减轻了日军进攻火力的强度。加上后勤保障被切断，在连续进攻势头受挫之后，日军第十一军司令官冈村宁次中将综合各种情报后发现，中国军队正从各个方向向湘北增援上来，合围孤军深入的上村支队和第六师团的目的已经很明显。而在赣北担任战役策应任务的第一零六师团、第一零二旅团；鄂南方向担任助攻的第三十三师团在中国军队的阻击下，作战能力大幅下降。由于参战各师团兵力损失大，且携带的作战物资消耗殆尽，各方面都处于不利态势，各部日军有被中国军队分割包围歼灭的危险。冈村宁次见势不妙便命令各参战部队收缩战线，停止进攻，准备撤退。
正在湘西、湘南集结待命的战区战役预备队的各部官兵，接到立即投入战场的命令后，犹如疾风一般地向长沙挺进。
独立师自孙师长从战区领受任务后，全师官兵立即终止在雪峰山区的综合训练。全部在雪峰山北麓的黄土店集结待命，密切地注视着战局的发展。当战区长官部一声令下，孙师长立即率领全师官兵从黄土店出发，行进序列为第一团、第三团、师部及直属队和第二团。当晚在三堂街渡过资水，星夜兼程向长沙增援前进。于9月29日夜晚，从望城附近的新康镇渡过湘江，建立进攻出发阵地，兵锋指向日军第六师团占据的杨桥和福临铺镇。
独立师出发前，为打好独立师成立以来的第一仗，打出独立师的威风和战斗力，孙师长要求特务连和工兵连加强到第一团，随一团前卫营先行出发。
“好钢要用在刀刃上，特务连要向一个拳头砸向日军。”这是出发前，孙师长向特务连训示时发表的讲话。特务连和工兵连随一团前卫营提前出发，沿着黄土店—三堂街—沧水铺—新康镇路线挺进。刘副师长率师部几个作战参谋随一团行动。
9月30日凌晨，独立师向在杨桥的日军第六师团发起攻击。
当时，驻守在杨桥的日军是第六师团的后卫部队和后勤保障部队，战斗发起后，战斗异常激烈，固守在此地的日军虽是后卫部队和后勤保障部队，但战斗力并不弱。经过近一天的战斗，独立师突破杨桥日军主阵地，此时日军在独立师猛烈的攻势下，只得向高家坊方向撤退。
就在独立师向驻守在杨桥的日军发起进攻之际，进攻长沙的第六师团，已渡过捞刀河，长沙遥遥可见。但是，由于携带的弹药已消耗殆尽，加上后勤保障线被切断，部队伤亡巨大无力再战。眼见中国军队士气正旺，从各个方向进行反击作战，再不撤退，就有被歼灭的危险。日军第十一军司令官冈村宁次见此次战役作战目的很难达到，为避免台儿庄和万家岭悲剧的重演，便下令所有部队全线撤退。
正从捞刀河撤退的日军见杨桥阵地失守，退路被切断，只得转向福临铺、金井方向，经福临铺、金井向汩罗、新市撤退。第九战区长官部立即命令，所属各部队以现态势向当面之敌猛烈追击，将日军歼灭在岳阳、崇阳以南地区。
中国军队各路官兵见日军第六师团向福临铺、金井方向败退，立即按照战区长官部命令，尾追日军至福临铺、金井地区，继续同日军激战。日军第六师团师团长稻叶四郎见各路中国军队紧追不舍，�