第6师团和奈良支队集中80多门火炮向防守新墙河南岸的第52军第2师阵地猛烈炮击，将整个中国守军的阵地炸成了一片火海。一小时后炮火延伸，日军第6师团在师团长稻叶四郎中将亲自指挥下，从七步塘附近开始强渡新墙河。但遭到国军的顽强阻击，日落时分，双方仍在新墙河一线对峙着。但是，日军的指挥官冈村宁次却也不是易与之辈，突然又使出一手杀招，上村支队奇袭营田。冈村营田登陆这一招，确是薛伯陵和关麟征都没想到的。营田失守，尤对关麟征的震动最大：日军第6师团从新墙河正面；奈良支队从右面向他压来，营田上村支队又源源上岸，他的几个军包在中间，陷入三面被围，一面临水之绝境，有被围歼的危险。他于是在征得薛伯陵的同意后，立即组织各军后撤。这个决心下的非常及时，以至于日本军对关麟征的不配合非常不满，大骂关麟征战斗意志薄弱，苦心经营半年到一年的阵地居然都不战放弃。这样的没有武士道精神，没有战斗意志，真是太可恶了。薛伯陵在长沙召开紧急会议商讨对策。最后，会议做出了诱敌至长沙郊区实行反包围与敌决战，进而将其歼灭的作战方案，即所谓天炉战法。天炉战法是指：依湖南的地势，左倚洞庭湖，右凭幕阜山，以其间新墙河、汨罗江、捞刀河、浏河这四条河作为迟滞日军的依据，并彻底实施“化路为田，运粮上山”的做法，将日军机械化部队的机动力消除。重庆的委员长对于守住长沙却没有信心，总想着弃守长沙，为了争取委员长的“对日寇迎头痛击”军令，薛伯陵这一段时间几乎每天都要直接与委员长通话，表达自己坚决抗敌，死而后已的决心。委员长开始还耐心地与薛伯陵通话，劝他稍安勿躁，静待时机，后来看到说服不了薛伯陵，就干脆不接他的电话了。薛伯陵心急如焚，一心想着好好打一仗，痛歼日军，于是薛伯陵急得象热锅上的蚂蚁，没有办法，只好直接打电话去找夫人美龄了。薛伯陵对美龄夫人说：“请转告委员长，敌人再敢向我长沙逼近一步，我就要立即开打了！”
美龄夫人立即将这个消息转达给了委员长，委员长却着了急，亲自给薛伯陵打电话，结果薛伯陵将委员长的招数用上了，任凭委员长如何打电话，他就是不接，还让参谋人员接电话告诉委员长说“薛长官上前线阵地了，不知什么时候能回来”。委员长没有办法，只好让陈成将军与白长官前往长沙，一来传达军委会的作战方案，二来阻止薛伯陵，如果实在阻止不了，那他们正好可以协助薛伯陵作战。渌口以南车站附近的一所小学校，临时搭建的指挥部内，薛伯陵与、陈成、白长官这三大名将终于相遇，白长官见面后立即向薛伯陵传达了军委会不守长沙的命令，但是薛伯陵却凄然一笑，摇了摇头说道：“湖南所处战略地位重要，关系到国家民族的生死存亡。作为军人，该誓死保卫它。而且他还表示要与长沙共存亡。”
白长官无奈，口中说道：“伯陵啊，不守长沙是委员长的意思，我们都是军人，当以服从命令为天职，你就不要再争了。”
薛伯陵一听，立即决定豁出去，口中说道：“长沙不守，军人的职责何在？”
见薛伯陵这个样子，陈成打起了圆场，口中说道：“我觉得伯陵的话也有道理，这样吧，我们将伯陵的意思向委员长反应一下，看看军委会能不能重新做出决定。”
“好吧，也只有如此了。”
白长官点了点头表示同意。与此同时，新墙河南岸的中国军队有计划的撤往汩罗江防线，日军奈良支队与第六师团在后猛追，由于中国军队一路上破坏了道路，日军的机械化武器装备无法前行，只能徒步跟在中国军队的后面追赶。九月二十五日晨，日军逼近汩罗江北岸，对南岸组织了一次试探性的进攻，但被中国军队第五十二军击退，日军指挥官灵机一动，派出一部分日军换上中国老百姓的衣服，扮成难民，从中国军队结合部的间隙中偷偷过江，中国守卫江岸的士兵虽然发现了这股“难民”，但却并没有阻止，使日军得以安然过江。与此同时，薛伯陵终于等来了委员长同意他在长沙附近与日军决战的命令，薛伯陵欣喜若狂，立即按自己的原定计划把部队撤退到长沙附近，摆好了伏击圈，只等日军入瓮了。28日，上村支队在三姐桥、栗桥陷入第54军第14师、第50师伏击圈；第6师团一部1000余人在福临铺遭第195师伏击，均受到重创。29日，由新市经金井南下的日军第6师团一部3000余人又在石门痕遭到第195师的伏击。数次遭到伏击的日军跌跌撞撞，本想继续南下，无奈心有余而力不足。只有一部日军于30日突破了中国军队在捞刀河的阵地，占领了长沙以北30多公里的永安市，然而，日军已是强弩之末，再也无法前进一步了，各部日军都陷入了重重困难之中。在会战开始前，国民政府充分发动了老百姓和中国军队相配合，把新墙河至捞刀河之间的主要交通要道已全部破坏，就连这一地区间的土地都被翻了一层，成为新土，从而使得日军的机械化部队无从施展，其战斗力也就相应的减弱了，甚至后勤也不能完全保证。在这种情况下，冲向长沙只能是冒险，冈村宁次仔细权衡后，最终下达了全线撤退的命令。命令说：“华军顽强，现仍潜伏于汨水、修河两岸地区。本军为避免不利态势，应速向原阵地转进，以图战斗力之恢复，并应严密防备华军之追击。”
冈村宁次撤得太快了，以至于薛伯陵根本不敢相信这是真的，仓促之间立即组织追击，但为时已晚，日军大部已渡过汨罗江。至10月14日，赣北、鄂南、湘北各战场均恢复到战前态势，长沙会战结束。