1941年12月13日,日酋阿南惟几调集7万重兵，准备第三次席卷湘北

经过第二次长沙会战，日本11军上下普遍轻视国军战斗力，1941年12月13日,日酋阿南惟几调集7万重兵，准备第三次席卷湘北。

第九战区在第二次长沙会战中受到重创，战区司令薛岳痛定思痛，呕心沥血著成《天炉战》一书,下发给各军官执行。

12月23日，日军第40师团主力开始向杨汉域第20军下辖的第134师设在新墙河北岸的前沿阵地进攻，第三次长沙会战由此揭开了大幕。

中国士兵冒着风雨严寒与优势之敌浴血激战，有冻馁死于阵地者，有全营共阵地俱亡者，伤亡虽重，士气未衰。双方激战一天后，日军仍未能完全攻破20军防线。

在新墙河防守作战中，奉命固守傅家桥阵地的王超奎营在敌军层层包围、猛烈攻击之下，利用颓垣弹穴做殊死的阻抵，战至全营官兵壮烈殉国。另一个营在副营长吕海群的率领下，依托工事顽强抗敌，多次击退日军冲击，在优势敌人猛攻下，最后也全部牺牲。

12月29日，阿南惟几挥师向长沙追击。

薛岳下令第10军李玉堂坚守长沙市区，特别在市区的东南高地，布下巷战的阵势，并且将重炮兵旅放在岳麓山，设立了俯视全城的炮兵阵地。

12月31日，日军主力已分别到达长沙外围附近，薛岳向蒋介石立下了军令状，并训令各部厉行上级战死下级代行职务等三事。

1942年1月1日凌晨4点，日军第3师团乘雾气蒙蒙之际

渡过浏阳河，首先发起攻击。布置在外围阵地的预备第10师与日军展开激战。预10师师长方先觉在上次会战中也受到处分，以戴罪之身迎战，抵抗相当顽强。第10师官兵与日军血战一天，擅长夜战的日军精锐加藤大队（大队长加藤素一）曾一度攻下邬家庄和军储库附近阵地，威胁到长沙市区。预备第10师迅速派兵反击，日军依托民房顽抗，守军决火焚烧，四处逃窜的日军加藤少佐等100多人全部被击毙。

1月2日，中日两军仍在长沙东南郊激烈争夺，几乎所有据点都反复易手,岳麓山上的重炮阵地用猛烈炮火轰击日军。

阿南惟几开始意识到形势严峻，但他并不甘心。1月3日拂晓，日军两个师团从东、南、北三个方向同时发起攻击，第10军官兵英勇抵抗，使敌人死伤惨重却进展甚微。第6师团虽有一部从北郊冲入城区，但在中国重炮轰炸之下无法立足，被守军反攻驱出城外。

日军主力攻城3天，仍未能入城。

1月4日，日军在撤退之前又对长沙进行了一次猛烈攻击，用以隐蔽其撤退企图。激战一天，李玉堂第10军不仅顶住了日军的疯狂进攻，还对敌人阵地进行逆袭，颇有斩获。

日军第3师团及第6师团于当晚乘夜暗脱离战场。薛岳获知日军已开始后撤,立即变更作战部署,命令各部队从不同方向对敌军展开围追堵截。

日军第40师团主力由金井退往春华山，遭到猛烈阻击而一度被迫折回，其留守金井掩护主力的一部几乎是全军覆灭。第3师团刚离开长沙，即在金盆岭、林子冲一带遭到中国第4军的截击，被迫改变退却路线，与第6师团合流。日军两个师团并列退却，中国军队3个军紧紧追击。

8日，在捞刀河北岸地区，日军遭另外3个军的中国守军截击。九战区截击部队和追击部队将日军第3、第6师团包围。日军损失惨重，期间，南下接应的第9混成旅团遭守军截击，一个大队被围歼。第6师团企图向北突围，复遭第20军和第58军的分割围攻。

日军渡过汨罗江之时，由于受到中国军队的追击，日军争先恐后，乱作一团，“多自相践踏，因此落水溺毙者甚众”。14日，日军在汨罗江北集结完毕，一齐向北撤退。中国军队仍继续以各种方式攻击敌军，但因日军主力已经相对集中，漏洞较少，到1月16日，日军基本上回到新墙河以北的阵地。

当日军偷袭珍珠港，势如破竹地深入东南亚和南太平洋地区，所到之处兴奋地插满一面面太阳旗时，侵华日军中国派遣军却在长沙遭遇了惨败。从长沙城下到汨罗江畔，到处都有日军遗弃的尸体。

第九战区发表的战绩是，日军伤亡5.6万多人。虽然这里面有夸张的成分，但是日本第11军经此一役，两年多都不敢再攻长沙，可见受打击之重。薛岳的“天炉”终于熔化了骄纵的“太阳”兵，日军开始称他为“长沙之虎”。

三战长沙，薛岳运用“天炉战法”，终于取得了一次真正的大捷。

事实上，薛岳“天炉战法”的中心思想与伟人毛泽东一再指出的“运用运动战、阵地战、游击战三种方式相互配合，必能使敌军处于极困难地位”的精神基本符合。