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９月２１日，日军第６师团从浯口向瓮江北侧转进，与刚刚到达战场的中国第２６军遭遇。日军凭借优势兵力节节进逼，向第２６军第４４师右翼包围。第２６军令第３２师向浯口日军后方攻击，适与第３师团后续部队遭遇，激战至２３日，第３２师伤亡较大，被迫后退。第２６军各师有被分割危险。第九战区令第２６军以蒲塘为中心，各师靠拢，阻击日军。第２６军立即调整部署，令第３２、第４１、第４４师在蒲塘四周构成环形防御。２４日，日军第４０师团也加入对第２６军的攻击。２５日夜，日军从东正面和南正面突入第２６军阵地。第２６军又奉战区命令向金井东南地区转移，与由平江南下的第７２军协力作战。
这时从衡阳、渌口北上的第１０军（辖第３师、预备第１０师、第１９０师）已到达战场，奉命在高桥、金井、福临铺一线占领阵地。９月２４日，由浯口附近突围南进的第３７军第１４０师转移到金井附近，日军第３师团沿长岳公路尾追而来，日军第６、第４０师团也绕过第２６军右翼进至金井附近，与第１０军遭遇。２４日上午，日军第３师团、第６师团在航空兵支援下，分别向第１０军的预备第１０师、第１９０师发起攻击。２５日，日军第３师团占领福临铺。第４师团、早渊支队也已赶来，开始向第１０军第３师展开进攻。战至２６日，第１０军各师阵地先后被日军突破，金井、栗桥失陷。该军一部向金井东北日军后方转进，主力奉命向捞刀河以南梨市转移，收容整顿。
在此期间，第２７集团军所属第４、第２０、第５８军曾奉命向日军侧后攻击，但未能达到切断日军补给线、迟滞其南进的目的。
第九战区预定在汨罗江两岸（主要是汨罗江以南）与日军决战、击灭日军主力的企图不但没有实现，在此方向担任守备的各军反被日军各个击破，损失惨重。
（三） 捞刀河和长沙附近的战斗
日军第４、第３、第６、第４０师团、早渊支队与荒木支队在汨罗江以南击破中国第３７、第２６、第１０军等部防御后乘势向南突进，于９月２５日前后陆续进抵捞刀河北岸，迫近长沙。
这时，在捞刀河南北和长沙附近的第九战区各部队有：
第９９军：除第１９７师位于湘江口南岸青山、芦林潭附近，与由该处登陆的日军平野支队处于对峙状态外，军主力（第９９、第９２师）位于捞刀河以北、粤汉铁路以西地区，由西向东侧击南下日军。
第７２军：奉命由修水西移，已抵达平江以南，准备由东向西侧击日军。
第２６军：由瓮江、蒲塘转移到石湾、更鼓台、文家场屋后稍事整顿，准备协同第７２军侧击金井之日军。
第７４军：奉命由江西分宜附近西移，其先头第５７师已抵洞阳市，主力（第５１、第５８师）位于浏阳附近。
第７９军：奉命由第六战区常德、澧县向长沙增援，其先头第９８师于９月２４日到达岳麓山，主力（第８２师、暂编第６师）尚在开进途中。
暂编第２军：奉命由第七战区前往长沙增援，正由广东向株洲车运中。
第３７军：以第９５师在麻林市西南地区占领阵地，准备协同第７４军作战。
９月２５日，薛岳电令第７９军应守备捞刀河南北地区，保卫长沙外围；暂编第２军先头部队暂编第８师限于２６日到达梨市待命；第７４军应以２个师兼程向黄花市前进，在夏家塘、春华山、赤石河、石灰咀之线占领阵地，迎击南进日军。
但第九战区这一电报又被日军特种情报部门窃收和破译。日军第１１军认为：第７４军是蒋介石中央系统中最精锐部队之一，自１９３９年９月第一次长沙会战起，曾与第１１军多次较量，是第１１军的老对手，在上高会战中又碰过它的钉子，这次一定要捕捉而消灭之。第１１军司令官阿南立即调整部署，令第３、第４师团向捞刀河以南突进；解除第６师团原定占领平江的任务，改向捞刀河谷推进，拦击第７４军；令第４０师团在扫荡金井附近地区后南下。
９月２５日晚，第九战区司令长官部从长沙撤往湘潭。
同日，第７４军先头部队第５７师到达捞刀河北岸的春华山附近时发现春华山已被日军占领，随即占领南岸天鹅山，与日军对峙。日军向天鹅山展开进攻，双方激战彻夜，至２６日晨，日军被击退。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。２７日晨，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；日军又投入第４师团一部攻击第５７师左翼。第５７师伤亡近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第６、第３、第４师团发生激战。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。至９月２７日夜，第九战区命令该军撤出战斗，东向洞阳市、横江至浏阳河南岸转移，准备侧击日军。日军强渡捞刀河以后直趋长沙，其第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原来就没有估计到日军会攻入长沙，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。分别从第六、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。
９月２７日晨５时，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。２８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９月３０日，日军第４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。
１０月１日，日军第１１军下达返转命令：着第４０师团先行，第４、第３、第６师团并列。其中第４０、第６师团居右，经永安市—麻峰咀—长乐街路线北返；第４师团居左，沿长沙—湘阴之线北返；第３师团居中，沿左右之间的道路北返。１０月１日日没时开始返转。
薛岳侦知日军退却行动后，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集团军所属各军（第４、第２０、第５８军并指挥第７２、第２６军）和第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。蒋介石也发电报要求“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”。〔６〕
各部队按以上命令，对撤退中的日军展开追击、截击和侧击，给予一定杀伤，但未能打乱其行动。至１０月９日（日军战史记载为１０月６日），日军全部退回新墙河以北，恢复战役前态势。第二次长沙会战至此结束。
会战期间，在鄂南、赣北的中日军队为配合湘北主战场的作战，曾互有攻防。其中驻修水、三都附近的中国第７２军发现原守备鄂南的日军第４０师团西移，便向通山附近日军据点和交通线袭击，并进攻通山县城；湘鄂赣边区挺进军曾向咸宁附近日军据点进攻，一度攻克汀泗桥和羊楼司车站，摧毁了日军若干工事和通信、后勤设施。担任箬溪守备任务的日军独立混成第１４旅团一部曾向武宁方面中国第７８军部分阵地进攻，驻守南昌的日军第３４师团曾向中国第１９集团军锦江南岸若干阵地进攻。这些作战规模都很小，未能影响双方在主战场的行动。
（四） 其他战区的策应作战
会战期间，遵照军事委员会９月２０日及以后的一再电令，第三、第五、第六战区各向当面日军发动了范围广泛的袭扰活动，对日军若干据点和交通线形成一定威胁。特别是第六战区对宜昌的反攻作战发展到较大规模，使日军受到震撼。
第三战区奉命于９月２３日开始全面袭击活动。其第１００军（部署于鄱阳湖南侧，担任湖防）对南昌周边日军第３４师团各据点频频发动攻击，前进至牛行、乐化和南昌近郊，夺占了楼前市、黄溪渡，打退日军多次反击；第２３集团军（担任鄱阳湖东岸、湖口至安徽境内长江南岸防御）对日军第１１６师团所据守的湖口、彭泽、马当、贵池、繁昌等沿江要点多次袭击，曾突至江边布设水雷；第３２集团军（担任宣城以东、太湖以西苏皖边界地区防御）曾向芜湖、溧水、武进、长兴附近日军第１５师团各据点和交通线广泛袭击；第１０集团军（担任钱塘江两岸至浙东沿海防御）曾向日军第２２师团所据守的富阳、余杭、绍兴、曹娥、余姚、奉化、溪口附近各据点多次袭击，破坏了嘉兴间铁路；第２５集团军（担任福建沿海和内陆防御）曾对厦门岛、南日岛和闽江口日军发动袭击，一度攻克南日岛。至１０月２０日，第三战区奉命停止攻势。
第五战区以破坏日军铁路、公路交通线为重点，于９月２５日开始发起广泛袭击、游击行动。其第２１集团军以大别山为基地，向广济至武汉间日军独立混成第１４旅团和第４０师团一部守备的长江北岸各据点以及日军第３师团一部守备的平汉铁路南段各据点袭击；左集团军（第３１、第１５集团军）从淮河南北地区向津浦铁路宿县以南各据点、陇海铁路徐州至开封间各据点、平汉铁路信阳南北各据点发动袭击，破坏铁路多处，并一度攻克宿县以南的板桥集；中央集团军（第２集团军）以桐柏山为基地，向平汉铁路花园至孝感间以及随县、应山附近各日军据点发动攻击，攻克独崇山、徐家店，并一度攻入随县县城；右集团军（第２９集团军）以大洪山南北地区为基地，向京山、钟祥附近各据点发动攻击，破坏了京钟公路。至１０月１１日，第五战区奉命停止攻势。
第六战区是在１９４０年６月日军占领宜昌后设立的，辖区为鄂西北、湘西和川东地区，与第五战区的分界大致沿襄河（汉水）之线，以西为第六战区；与第九战区的分界大致沿常德以南的石门桥迄洞庭湖北岸之线，以西、以北属第六战区。所辖部队有长江上游江防军、第２０集团军、第２６集团军等共１０个军２７个师。当面日军有第１３师团（守备宜昌、当阳）、第３９师团（守备当阳以东、襄河以西）和独立混成第１８旅团（掩护交通运输线）。１９４１年８月下旬，日军第１３师团奉命抽出第２６旅团组成早渊支队参加长沙作战，独立混成第１８旅团调往襄河以西接替第４师团防务（第４师团也调出参加长沙作战），因而第六战区当面日军（特别是宜昌守军）大大减少。军事委员会于９月２０日、２１日、２２日连续电令第六战区司令长官陈诚乘机克复宜昌，并限于２３日开始发起攻势。这一重大行动既是策应第九战区作战，又是解除日军对重庆和西南后方的重大威胁。为加强第六战区进攻兵力，军事委员会命令将第五战区所辖第３３集团军（２个军６个师）暂归第六战区指挥。
第六战区奉命后于９月２３日确定部署、下达命令。大要是：以江防军（辖第２军、第９４军、第８军第５师等７个师）主力攻击宜昌；以第２６集团军（辖第３２、第７５、第３９军）向当阳方面攻击，主力置于当阳以西，切断汉（口）宜（昌）公路，阻止日军第３９师团向宜昌增援；以第３３集团军（辖第５９、第７７军）向荆门方面攻击，与第２６集团军协同，切断汉宜公路；以第２０集团军（辖第５３、第７３、第８７军）向白螺矶（岳阳东北）、沙市、江陵方面攻击，切断汉（口）京（山）公路西段，阻止日军向宜昌增援。各部攻击时间限于９月２７日、２８日开始。
但各部队事先缺乏准备，调整部署行动缓慢，直到９月３０日才开始攻击。日军依托既设阵地固守顽抗，各攻击部队多与日军形成对峙，进展不大。至１０月３日夜，江防军主力已完成对宜昌的包围。第六战区为迅速攻克宜昌，又令第２６集团军第７５军的第１３师和第２０集团军及第７３军的第７７师加入宜昌方面作战，严令各军各向当面日军奋力突击，攻克既定目标。但这时日军第１１军已结束长沙方面的作战，开始向原防返转。
这时在宜昌周围和城内的日军只有第１３师团的第５６、第５８、第１０４联队，诸队连日来受中国军队猛攻，伤亡颇重；守备荆门、当阳的日军第３９师团也遭到中国军队围攻，不能向宜昌增援。至１０月９日，宜昌东郊的慈云寺、东山寺各要点均被中国军队攻占，宜昌北面的据点也多处被突破。第１３师团一面将伤员和非战斗勤务人员尽行投入作战，一面向武汉第１１军告急。１０月１０日晨，宜昌日军烧毁了