中路日軍第116師團(tuán)及第68師團(tuán)均已突破汨羅江防線，進(jìn)至撈刀河北岸的水渡河、春華山地區(qū);守軍第99師撤至三姐橋附近山區(qū);在第116師團(tuán)西側(cè)新加入戰(zhàn)斗的第34師團(tuán)突破守軍的神鼎山、新開(kāi)市陣地后，到達(dá)撈刀河北岸的橋頭;在第116師團(tuán)與第68師團(tuán)之間新投入戰(zhàn)斗的第58師團(tuán)的主力進(jìn)至汨羅江以南栗山港附近，其52旅團(tuán)則西進(jìn)攻占了湘陰。
此時(shí)，東路日軍第3師團(tuán)及第13師團(tuán)已分別進(jìn)至瀏陽(yáng)西北的相公寺及瀏陽(yáng)以東的蔣家埠附近。當(dāng)日軍即將進(jìn)抵撈刀河北岸時(shí)，第11軍即已開(kāi)始作進(jìn)攻長(zhǎng)沙的部署。
鑒于此前進(jìn)攻長(zhǎng)沙的教訓(xùn)，這次進(jìn)攻極為謹(jǐn)慎，早在會(huì)戰(zhàn)開(kāi)始之前即已確定由第58師團(tuán)進(jìn)攻長(zhǎng)沙，并預(yù)先進(jìn)行了攻堅(jiān)戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)斗的特別訓(xùn)練;預(yù)定進(jìn)攻岳麓山的第34師團(tuán)也預(yù)先進(jìn)行了各兵種協(xié)同山地攻堅(jiān)戰(zhàn)的特別訓(xùn)練。為保障該兩師團(tuán)進(jìn)攻長(zhǎng)沙時(shí)的側(cè)背安全，還計(jì)劃令其東西兩路的部隊(duì)先期分向?yàn)g陽(yáng)、寧鄉(xiāng)進(jìn)出，使長(zhǎng)沙陷于孤立，爾后再將該兩師團(tuán)投入攻擊。
6月7日夜下達(dá)了如下先攻占長(zhǎng)沙兩側(cè)的寧鄉(xiāng)、瀏陽(yáng)，再進(jìn)攻長(zhǎng)沙的作戰(zhàn)命令 ，日軍各部隊(duì)按照命令開(kāi)始調(diào)整態(tài)勢(shì)，西路第40師團(tuán)則積極向益陽(yáng)逼近。中國(guó)軍事委員會(huì)于6月9日令剛到達(dá)桃江鎮(zhèn)附近的第24集團(tuán)軍加入戰(zhàn)斗。因日軍已迫抵資水，益陽(yáng)危急，第九戰(zhàn)區(qū)令第24集團(tuán)軍速向益陽(yáng)、寧鄉(xiāng)前進(jìn)。
6月10日，日軍開(kāi)始圍攻益陽(yáng)，王耀武令第100軍馳援。第100軍于12日拂曉進(jìn)抵益陽(yáng)附近，但此時(shí)益陽(yáng)守軍第77師已因傷亡過(guò)眾于11日夜突圍撤走。第100軍的第19師并不知守軍已撤，于12日拂曉向益陽(yáng)外圍日軍進(jìn)攻。經(jīng)激戰(zhàn)后，日軍主力轉(zhuǎn)向?qū)庎l(xiāng)進(jìn)攻，第19師于14日收復(fù)益陽(yáng)，將城防再交第77師，第19師尾隨日軍，南下寧鄉(xiāng)。
日軍第40師團(tuán)由益陽(yáng)進(jìn)攻寧鄉(xiāng)時(shí)，遭到守軍第73、第79軍的堅(jiān)強(qiáng)抗擊。第九戰(zhàn)區(qū)為策應(yīng)寧鄉(xiāng)之戰(zhàn)，令第99軍轉(zhuǎn)移至寧鄉(xiāng)東南的金馬橋附近作為機(jī)動(dòng)部隊(duì)，準(zhǔn)備適時(shí)側(cè)擊進(jìn)攻寧鄉(xiāng)的日軍。
守備寧鄉(xiāng)的部隊(duì)是配屬第73軍的第58師。日軍突破外圍陣地后猛攻寧鄉(xiāng)城于6月15日晨突入城內(nèi)。兩軍展開(kāi)激烈巷戰(zhàn)。經(jīng)反復(fù)肉搏，迄18日，守軍僅余200余人，仍據(jù)守核心陣地。
19日凌晨，日軍第40師團(tuán)轉(zhuǎn)向湘鄉(xiāng)進(jìn)攻，由益陽(yáng)尾追日軍的第19師進(jìn)入城中，與58師殘部會(huì)合。東路日軍于6月8日接到軍的命令后稍事整頓，于10日開(kāi)始向?yàn)g陽(yáng)實(shí)施夾攻，第3師團(tuán)突破高開(kāi)橋陣地由西、北面向城垣攻擊。第13師團(tuán)以一部經(jīng)古港，從東面進(jìn)攻城垣，主力迂回至瀏陽(yáng)城南。
激戰(zhàn)至14日上午，第44軍守城部隊(duì)突圍，日軍占領(lǐng)瀏陽(yáng)。中路日軍第116、第68師團(tuán)分別從汨水渡河，在春華山附近強(qiáng)渡撈刀河，擊退守衛(wèi)長(zhǎng)沙的第4軍警戒部隊(duì)，于14日進(jìn)抵株洲及其東南的石亭附近。
守軍暫7師退守淥水南岸。此時(shí)日軍第34師團(tuán)已渡過(guò)湘江，進(jìn)抵岳麓山東、北兩面，第58師團(tuán)已進(jìn)至長(zhǎng)沙東面 。
6月16日，日軍在航空兵直接支援下，對(duì)岳麓山及長(zhǎng)沙市發(fā)動(dòng)總攻，第34師團(tuán)當(dāng)天攻占了岳麓山東、西的虎形山和牛形山。黃昏時(shí)，日軍第58師團(tuán)突破第59師修械所陣地，59師撤守妙高峰、天心閣核心地帶。
6月17日晨，日軍在航空兵掩護(hù)下向天心閣和桃花山陣地猛攻，并施放大量噴嚏性毒氣。雙方死傷均極眾。岳麓山方面，日軍第68師團(tuán)的第58旅團(tuán)由第34師團(tuán)右翼迂回至守軍第90師左翼，猛攻燕子山陣地，第90師的第268團(tuán)損傷過(guò)半，形勢(shì)極為嚴(yán)峻。
第4軍決定將軍主力增援岳麓山，令第59師及第102師各留1個(gè)團(tuán)繼續(xù)防守長(zhǎng)沙市，其余部隊(duì)于入夜時(shí)渡湘江轉(zhuǎn)移至岳麓山。渡河倉(cāng)促，墜江溺斃者，不下千余，加上日軍在牛形山及其東面以猛烈火力側(cè)擊半渡的部隊(duì)，致死傷更眾。后續(xù)渡河部隊(duì)被迫折返東岸。
18日晨，渡河部隊(duì)到達(dá)湘江西岸時(shí)，岳麓山核心陣地已失，被迫退出岳麓山。其后復(fù)被尾擊，直潰退至邵陽(yáng)。留于長(zhǎng)沙的2個(gè)團(tuán)，在日軍猛攻下更無(wú)法支持，一部千余，由北門(mén)沖出東山，沿途與日軍戰(zhàn)斗，退至茶陵歸27集團(tuán)軍歐副總部收容、指揮，長(zhǎng)沙遂于18日15時(shí)被日軍占領(lǐng)。
“中國(guó)派遣軍總司令部”為了策應(yīng)第11軍作戰(zhàn)，在日軍進(jìn)攻長(zhǎng)沙期間令第13軍派駐杭州的第70師團(tuán)從金華進(jìn)攻衢州，以牽制第三戰(zhàn)區(qū)的部隊(duì)向湖南調(diào)動(dòng)。
6月10日第70師團(tuán)沿鐵路兩側(cè)攻擊前進(jìn)，12日攻占龍游，以后即遭到守軍第26、第79師的堅(jiān)強(qiáng)抵抗。第105、第145、第146師亦投入反擊。但在日軍駐金華的獨(dú)立步兵第104大隊(duì)來(lái)援后，守軍退守衢州城。
6月26日4時(shí)40分，日軍開(kāi)始攻城，5時(shí)15分突入城中。守軍撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追擊日軍火力集襲，傷亡甚大。日軍僅1個(gè)師團(tuán)，深入擁有3個(gè)集團(tuán)軍的第三戰(zhàn)區(qū)80公里。
第三戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)17日，不僅未能圍殲日軍，也未能阻止日軍，反而損失1000余人。日軍占領(lǐng)衢州后，認(rèn)為牽制任務(wù)已經(jīng)完成，于27日開(kāi)始撤回金華。
日軍第11軍在開(kāi)始向長(zhǎng)沙發(fā)起總攻的6月16日即向各部隊(duì)下達(dá)了在第九戰(zhàn)區(qū)失守長(zhǎng)沙、寧鄉(xiāng)等地后，乘其混亂、尚未組織起新的防御體系之前迅速突進(jìn)攻占衡陽(yáng)的命令，因而預(yù)定用以攻擊衡陽(yáng)的第68師團(tuán)及第116師團(tuán)在長(zhǎng)沙尚在激戰(zhàn)之際即渡過(guò)瀏陽(yáng)河南下，在長(zhǎng)沙棄守時(shí)已進(jìn)至株洲及其以東的清江鋪地區(qū)，爾后準(zhǔn)備沿湘江兩岸向南快速推進(jìn)，直趨衡陽(yáng)。
東路日軍第3師團(tuán)及第13師團(tuán)占領(lǐng)瀏陽(yáng)后即繼續(xù)向醴陵、萍鄉(xiāng)前進(jìn)，并準(zhǔn)備向攸縣、安仁、耒陽(yáng)(耒縣)推進(jìn)。湘江西岸的西路日軍第40師團(tuán)于19日攻占寧鄉(xiāng)后亦繼續(xù)南下湘鄉(xiāng)，并準(zhǔn)備向衡陽(yáng)以西的永豐、渣江前進(jìn)，與東路日軍遙相呼應(yīng)。