同时，薛长官决定在汨罗江一线与日军进行决战，一决雌雄。其部署是：
第37军(附第99军第92师)以一部任长乐街、新市间至汨罗江南岸守备，主力于麻峰嘴、李家桥、彭家坳占领既设野战阵地，完成战斗准备；
第99军仍任汨罗江南岸归义、营田、湘阴一带守备；
第26军推进至金井、将军坝一带地区，伺机由东向西侧击南犯日军；
第10军由衡阳、衡山向高桥、上杉市、长沙、金井推进；
第74军以2个师开浏阳，1个师开洞阳市，策应湘北方面作战；
第72军改调平江，支援汨罗江防线作战；
新20军以一个师的部队留守长沙后方的株洲，主力部队从湘潭和株洲向长沙前进。
由第6战区增援而来的第79军第98师即开益阳、军山铺；
重迫击炮第2团、第74军炮兵团、炮兵第1团集中使用于汨罗江南岸之主阵地线，先协助第37军守势作战，尔后支援第26军反攻。
9月20日晨，薛长官下达的上述作战命令被日军截获。当时，日军第11军的参谋部正在研究向汨罗江南岸发动进攻的方案。
阿南惟畿接到这份情报后，立即派出飞机进行侦察，将第9战区军队调动的情况与电文相对照。在证明所得情报确实无误之后，阿南惟畿立即改变了“将主力用于湘江方面”的原作战指导方案，决心从东面对第9战区的部队进行包围，在捞刀河以北地区捕捉歼灭国民党军队。
随即，阿南惟畿令第6师团由瓮江、三角塘方面向金井方向挺进，包围第26军；第40师团由平江经社港向洞阳市迂回，尔后与第6师团一起围歼第26军；第3、第4师团分别向麻峰嘴、栗桥挺进，包围第37军。
20日，日军第3、第4、第6师团强渡汨罗江，并将正面逐次向东移动，企图包围汨罗江南岸中国守军的右翼；其第40师团则沿关王桥、长乐街以东山地，经三枣桥向瓮江挺进。
21日中午时分，阿南惟畿正式向各师团下达作战命令：
“军决定于22日黄昏开始行动，在捞刀河以北地区捕捉歼灭当面之敌。”
然而第9战区的悲剧还不止于此。
22日晨，日军再次截获了第9战区的作战命令。
这道作战命令是薛长官于21日23时发给第74军的。它要求第74军主力立即向浏阳西北的蕉溪铺集结，而以一部在社港南面的新安铺集结。
阿南惟畿得到情报后，再次派飞机进行侦察。结果第74军的行踪不但事先暴露，而且日机还发现了正由长沙向金井急进中的第10军及由金井向瓮江方向前进的第26军的队伍。
于是，阿南惟畿将原定于22日黄昏开始的攻击时间提前，于11时发布了开始攻击的命令。
两道被截获的电波就这样决定了第9战区军队的悲惨命运。
第9战区的各部队接到命令后，马上向各自的指定方向开进。
20日，日军一部窜至长乐街、横山桥，被第4军击退。20日夜，第20军克复关王桥。日军第40师团一部来援，被第4、第58、第20军协力击破。随后，这三支部队由东北方向继续向长乐街、磨刀滩、新市、归义衔敌后侧攻击前进。第37军则与渡过汨罗江之日军一部展开激战。至21日上午，日军一部退回汨罗江北岸，另一部仍占据着浯口及长乐街南岸一线。第197师仍在洞庭湖南岸与日军对战。
第26军原定防守汨罗江南岸金井至将军坝的第二线阵地，但20日又接到命令，要求该军推进至汨罗江南岸平江以西——浯口——新市的第一线阵地。
21～22日，第26军昼夜兼程赶往指定防线。不料，在瓮江、浯口一带遭到日军第6师团的围攻。双方随即展开激战。
与此同时，防守洞庭湖与汨罗江所形成的三角地带的第37军第95师和第140师也遭到日军第3、第4师团的攻击。当时，日军以第3、第4师团的一部攻击第37军的正面，以第4师团主力从第99军第99师与第95师的结合部穿插而过，自左往右向第95师神鼎山阵地迂回，以第3师团主力从第140师双江口阵地右侧与第26军的结合部穿过，自右向左往第140师侧后迂回，企图从左右两个方向将第37军的两个师包围消灭。双方在马头岭、伍公市、新市、骆公市等附近捉对展开厮杀。
23日，第26军经过苦战，未能击退当面之敌，反而有陷入日军四面合围的险境。第26军肖军长立即向薛岳报告险情。薛长官指示，第26军可向南撤退至蒲塘。
同日，日军第3师团从第140师右侧突入，向双江口阵地全线猛攻。最后，第140师陷入日军重围之中，各方的通信联络都已中断，全师官兵于混乱之中只能各自为战。第140师虽伤亡惨重，但仍在坚守阵地。第95师则在神鼎山阵地顽强抗击着日军第4师团的攻击。
24日，第26军边打边向蒲塘撤退。日军第6师团紧追不放。同时，日军第40师团又从东面压来。日军2个师团跟踪追击到蒲塘，对第26军展开围攻。
此时，第37军阵地已被日军第3、第4师团攻破。为使第37军免遭日军全歼，薛长官令第37军南撤收容整理。于是，第37军全线南撤。而日军则跟踪第37军向栗桥、福临铺、金井进逼。
25日，在蒲塘地区陷入包围圈的第26军，在日军凌厉的攻势下已经难以招架了。是日夜，拼死向更鼓台、石湾方向突围。
此时，在第9战区的部队中，有三支王牌部队。这就是素有“泰山军”之称的第10军，以“抗日铁军”闻名的第74军和在日军官兵里有着“魔鬼军”之称的新20军。
第10军李军长，山东广饶人，黄埔军校一期生。1938年夏任第8军军长。在武汉会战的南浔线战斗中，因战功卓著被军事委员会授予华胄勋章。指挥南浔作战的薛长官则赠送给第8军“泰山军”锦旗一面。“泰山军”之名由此而来。第一次长沙会战后，李军长调任第10军军长，“泰山军”之名也随之被带到了第10军。此后，该军就一直在衡山附近整训。
第10军是19日才接到开拔命令的。由于时间紧迫，根本来不及进行充分的作战准备工作，也没有对官兵进行必要的战斗动员教育，接到命令后，各部便匆匆起程。由于连续日夜行军，部队疲惫不堪，许多士兵边走边打瞌睡，有的甚至走着走着便倒在路旁睡着了。
22日，第10军终于赶到金井地区。当晚，第10军便接替了第37军第140师在金井及其以北地区的防务。
当时，在金井北面的瓮江、浯口一带都有日军。但浯口至金井间没有大道，只有崎岖的山路，且地形复杂。而沿瓮江南下，交通十分便利。因此，第10军判断日军不会从浯口直犯金井，而会从瓮江沿大道南下。于是，第10军以第190师防守瓮江至金井间的大道，并将其作为堵击日军南犯的重点，而以预备第10师驻守金井西北沿河的村庄。
由于预备第10师对敌情估计不足，加之缺乏严密的戒备，日军一支骑兵部队于23日拂晓前，从浯口取道崎岖小径直奔金井，对预备第10师进行偷袭。该师驻在金井西北最前沿的一个营，“鼾睡中被日军突入营舍，乱刀砍杀，猝不及防，受到很大损失，死伤二三百人”；该师其他各部，“不知敌人夜间从何而来，有多少人，阵势如何，于是在黑夜中盲目抵抗、搜索，乱作一团，师、团、营、连之间，失去联系。及到拂晓以后，方师长才把情况弄清，报告军部”。
23日傍晚，预备第10师前哨发现日军的骑兵部队。方师长立即下令全师做好战斗准备。次日拂晓，日军第4师团在飞机的掩护下向预备第10师阵地发起攻击。战至午后，日军改变攻击方法，以骑兵从正面冲锋，以步兵从两侧包抄。方师长见部队有被合击的危险，立即下令撤退。金井遂告失陷。
方师长在战后谈起这次战斗时曾说：“敌人此次尽用骑兵，专打我们的指挥机构。我们刚离开第一个指挥所，日军就抢先把我们第二个指挥所打烂了，破坏了通讯。他们有空军优势，侦察情报准确及时，行动迅速，使我们上下失掉联络，指挥意图无法下达，部队群龙无首，遇有情况无心应战，一味后退，战斗力完全丧失，以致我们这次如此惨败。”
第190师于23日上午奉命占领金井西面的古华山东北高地，堵截由浯口取小径进犯金井的日军后续部队。第190师遂兵分两路向古华山东北方向前进。途中与日军第3师团先头部队打了一场遭遇战。后奉命北上驰援第37军第140师作战。
24日，第190师又奉命返回到福临铺一带设防。朱师长率部占领福临铺北面之梁家?F阵地，以第568、第569团占领?F北警戒栗桥之敌；朱师长亲率第570团及师直属队占领梁家?F南端之高地。不料，朱师长在率部行进中突遭日军迂回的一队骑兵的侧击，朱师长负伤，副师长阵亡，师部直属部队和第570团溃散。不久，另两个团在日军的进攻下也向南撤退。
25日，第10军军部由金井向西南转移至孙家桥。傍晚，日军跟踪而至，第10军军部被围。李军长率特务营边打边向西北突围，一直跑到青山铺，脱离了战场。
日军在击溃预备第10师、第190师后，又集中兵力直扑第3师福临铺附近高仓段一线阵地。第3师虽拼死抵抗，无奈日军兵力过于强大，第3师很快被其分割成数段。战至26日，周师长只好令各团突围。
至此，素有“泰山军”之称的第10军全线溃败。
日军第11军司令部在9月22日中午发出向汨罗江南岸攻击前进的命令后，下午便开始筹划下一步的作战指导方针。经过讨论，形成这样一个决定：在击败金井附近中国军队后，应向浏阳河下游追击，继而攻取长沙。
23日，日军第11军各师团对第9战区的第26、第37、第10军展开全面攻击。
当天早晨，天空正下着大雨。阿南惟畿在睡梦中被雨声惊醒。他醒来做的第一件事就是“祈祷上苍，但愿云开雾散”。因为雨天不利于进攻，特别是对作战飞机的影响更大。阿南惟畿认为，“今日为决战日”，“此次会战，应在今夜至明晨决定大势”。
24日傍晚，前线陆续发回战报：日军各个师团对第26、第37、第10军的包围圈业已完成，正在围歼之中；第3师团已将第140师击溃，傍晚时从福临铺东北方转入纵队追击；第6师团于早晨占领金井，切断了中国军队的退路；第26军的无线电台正午仍在蒲塘北方，企图向东南方逃脱；中国军队有向长沙撤退的迹象。
阿南惟畿看到上述战报后十分高兴，他在日记中写道：“大势已定。第9战区薛司令长官部撤出长沙，移往湘潭。第26军准备向东北逃脱。而新调来的第10军已遭我第3师团痛击陷于混乱。”
根据上述战场态势，日军第11军司令部按照“以一支有力部队监视浏阳方面的第74军(歼灭其先头部分)以主力追击敌军，夺取长沙”的既定方针，制定了向长沙追击的作战命令。
其主要内容包括：
一、军决定以一支有力部队扫荡歼灭金井方面包围圈内之敌，并以主力向长沙追击敌军。
二、第4师团应经黄花市向浏阳河河口附近追击敌军，并及时渡过浏阳河向长沙东侧地区继续追击。
三、第3师团应经长沙市向金潭附近追击敌军，并在该地渡过浏阳河向长沙南侧地区继续追击，应以一部兵力将现包围圈保持到25日正午。
四、第6师团应急速进入北盛仓附近捞刀河河谷，如敌第74军已进入该河谷，应即就地将其击破，特别应以有力部队确保现包围圈，并与第40师团协力完成对金井附近敌军的扫荡。
五、第40师团应从24日夜至25日，扫荡歼灭金井包围圈内敌军，以后于金井附近准备追击。
上述作战命令经阿南惟畿过目后，立即获得批准。
24日19时，阿南惟畿正式下令：向长沙追击!
在短短的一个星期内，第9战区第26、第37、第10军三个主力军便先后被日军击溃，这令薛长官十分恼火。日军正在向长沙步步紧逼，第9战区的战场态势越来越不利，薛长官决定让第74军担负起阻止日军南下的重担。他认为，如果第74军能阻住日军，那么，第9战区聚重兵于捞刀河一线，与日军还可一较高下。
薛长官之所以让第74军担此重任，是因为第74军有着骄人的抗战业绩。特别是在1941年春季的赣北会战中，第74军奋勇杀敌，使日军伤亡惨重，赢得了“抗日铁军”的称号。但是，这一次第74军在象非洲草原上的鬣狗一样蜂拥而来的日军面前，并没有能够坚持多久。
27日晚，第74军各部奉命突围，向醴陵集结。
第74军的防线被击破后，通往长沙的屏障已全部被清除。