以当时第九战区可使用的四十七个师为基础，调动其中三十二个师和三个挺进纵队参加会战。

第二十集团军守备长江右岸及洞庭湖北岸、西岸。

第十五集团军以第五十二军主力守备新墙河阵地。

第二十七集团军驻防在湖南、湖北、江西三省交界地区等。

9月18日，日军在湘北正式发动攻势，至9月23日，突破中国军队的新墙河防线，继续向汨罗江防线进攻。

在鄂南和赣北方向，日军也同时发起进攻，试图对中国军队形成包围之势。

中国军队采用了比较灵活的作战方针，依托山川河流等有利地形逐次抵抗，创造优势条件消耗日军实力。

9月27日，薛岳调整部署，集中主力于长沙周围地区，准备与日军决战。

第一次长沙会战，最终以日军伤亡三万三千余人，中国官兵伤亡、失踪共计四万余人，日军伤亡惨重被迫撤退，中国军队尾随追击，取得重大胜利为结果。

不过在日方编写的《中国事变陆军作战史》统计中，中国军队阵亡约四万四千人，被俘约四千人，日军则仅伤亡三千五百人。

以会战日军被迫撤退的结果来看，日本自己这一份对外公布的伤亡统计，有极大的粉饰成分。

以往日军在侵略中国中，都是攻城掠地接连获胜，但在此战中却被中国军队打到衔尾追击，自然极不愿意向自己的军民承认这么一份预示战争走向的战败结果，那样会极大动摇军心民心，从而加速日本的战败。

此战过后，日本认识到中国的抵抗力量不容小觑，自己已经陷入到了战争的泥潭之中，速亡中国的计划彻底破产，需要重新调整战略。

从第一次长沙会战，要一直到两年后的1941年9月，日本才发动第二次长沙会战可以看出，中日双方的战争已经进入到了完全相持阶段。

此后，包括中共领导的八路军、新四军，以及其他中国军队，在华北、华东等地也积极开展游击战争和局部反攻，牵制了日军大量兵力，日本对中国占领地的统治也受到了动摇，使日军难以集中力量再次对长沙发动大规模进攻。