同時，薛長官決定在汨羅江一線與日軍進行決戰，一決雌雄。其部署是：
第37軍(附第99軍第92師)以一部任長樂街、新市間至汨羅江南岸守備，主力於麻峰嘴、李家橋、彭家坳佔領既設野戰陣地，完成戰鬥準備；
第99軍仍任汨羅江南岸歸義、營田、湘陰一帶守備；
第26軍推進至金井、將軍壩一帶地區，伺機由東向西側擊南犯日軍；
第10軍由衡陽、衡山向高橋、上杉市、長沙、金井推進；
第74軍以2個師開瀏陽，1個師開洞陽市，策應湘北方面作戰；
第72軍改調平江，支援汨羅江防線作戰；
新20軍以一個師的部隊留守長沙後方的株洲，主力部隊從湘潭和株洲向長沙前進。
由第6戰區增援而來的第79軍第98師即開益陽、軍山鋪；
重迫擊炮第2團、第74軍炮兵團、炮兵第1團集中使用於汨羅江南岸之主陣地線，先協助第37軍守勢作戰，爾後支援第26軍反攻。
9月20日晨，薛長官下達的上述作戰命令被日軍截獲。當時，日軍第11軍的參謀部正在研究向汨羅江南岸發動進攻的方案。
阿南惟畿接到這份情報後，立即派出飛機進行偵察，將第9戰區軍隊調動的情況與電文相對照。在證明所得情報確實無誤之後，阿南惟畿立即改變了“將主力用於湘江方面”的原作戰指導方案，決心從東面對第9戰區的部隊進行包圍，在撈刀河以北地區捕捉殲滅國民黨軍隊。
隨即，阿南惟畿令第6師團由甕江、三角塘方面向金井方向挺進，包圍第26軍；第40師團由平江經社港向洞陽市迂迴，爾後與第6師團一起圍殲第26軍；第3、第4師團分別向麻峰嘴、慄橋挺進，包圍第37軍。
20日，日軍第3、第4、第6師團強渡汨羅江，並將正面逐次向東移動，企圖包圍汨羅江南岸中國守軍的右翼；其第40師團則沿關王橋、長樂街以東山地，經三棗橋向甕江挺進。
21日中午時分，阿南惟畿正式向各師團下達作戰命令：
“軍決定於22日黃昏開始行動，在撈刀河以北地區捕捉殲滅當面之敵。”
然而第9戰區的悲劇還不止於此。
22日晨，日軍再次截獲了第9戰區的作戰命令。
這道作戰命令是薛長官於21日23時發給第74軍的。它要求第74軍主力立即向瀏陽西北的蕉溪鋪集結，而以一部在社港南面的新安鋪集結。
阿南惟畿得到情報後，再次派飛機進行偵察。結果第74軍的行蹤不但事先暴露，而且日機還發現了正由長沙向金井急進中的第10軍及由金井向甕江方向前進的第26軍的隊伍。
於是，阿南惟畿將原定於22日黃昏開始的攻擊時間提前，於11時發佈了開始攻擊的命令。
兩道被截獲的電波就這樣決定了第9戰區軍隊的悲慘命運。
第9戰區的各部隊接到命令後，馬上向各自的指定方向開進。
20日，日軍一部竄至長樂街、橫山橋，被第4軍擊退。20日夜，第20軍克復關王橋。日軍第40師團一部來援，被第4、第58、第20軍協力擊破。隨後，這三支部隊由東北方向繼續向長樂街、磨刀灘、新市、歸義銜敵後側攻擊前進。第37軍則與渡過汨羅江之日軍一部展開激戰。至21日上午，日軍一部退回汨羅江北岸，另一部仍佔據着浯口及長樂街南岸一線。第197師仍在洞庭湖南岸與日軍對戰。
第26軍原定防守汨羅江南岸金井至將軍壩的第二線陣地，但20日又接到命令，要求該軍推進至汨羅江南岸平江以西——浯口——新市的第一線陣地。
21～22日，第26軍晝夜兼程趕往指定防線。不料，在甕江、浯口一帶遭到日軍第6師團的圍攻。雙方隨即展開激戰。
與此同時，防守洞庭湖與汨羅江所形成的三角地帶的第37軍第95師和第140師也遭到日軍第3、第4師團的攻擊。當時，日軍以第3、第4師團的一部攻擊第37軍的正面，以第4師團主力從第99軍第99師與第95師的結合部穿插而過，自左往右向第95師神鼎山陣地迂迴，以第3師團主力從第140師雙江口陣地右側與第26軍的結合部穿過，自右向左往第140師側後迂迴，企圖從左右兩個方向將第37軍的兩個師包圍消滅。雙方在馬頭嶺、伍公市、新市、駱公市等附近捉對展開廝殺。
23日，第26軍經過苦戰，未能擊退當面之敵，反而有陷入日軍四面合圍的險境。第26軍肖軍長立即向薛嶽報告險情。薛長官指示，第26軍可向南撤退至蒲塘。
同日，日軍第3師團從第140師右側突入，向雙江口陣地全線猛攻。最後，第140師陷入日軍重圍之中，各方的通信聯絡都已中斷，全師官兵於混亂之中只能各自爲戰。第140師雖傷亡慘重，但仍在堅守陣地。第95師則在神鼎山陣地頑強抗擊着日軍第4師團的攻擊。
24日，第26軍邊打邊向蒲塘撤退。日軍第6師團緊追不放。同時，日軍第40師團又從東面壓來。日軍2個師團跟蹤追擊到蒲塘，對第26軍展開圍攻。
此時，第37軍陣地已被日軍第3、第4師團攻破。爲使第37軍免遭日軍全殲，薛長官令第37軍南撤收容整理。於是，第37軍全線南撤。而日軍則跟蹤第37軍向慄橋、福臨鋪、金井進逼。
25日，在蒲塘地區陷入包圍圈的第26軍，在日軍凌厲的攻勢下已經難以招架了。是日夜，拼死向更鼓臺、石灣方向突圍。
此時，在第9戰區的部隊中，有三支王牌部隊。這就是素有“泰山軍”之稱的第10軍，以“抗日鐵軍”聞名的第74軍和在日軍官兵裡有着“魔鬼軍”之稱的新20軍。
第10軍李軍長，山東廣饒人，黃埔軍校一期生。1938年夏任第8軍軍長。在武漢會戰的南潯線戰鬥中，因戰功卓著被軍事委員會授予華胄勳章。指揮南潯作戰的薛長官則贈送給第8軍“泰山軍”錦旗一面。“泰山軍”之名由此而來。第一次長沙會戰後，李軍長調任第10軍軍長，“泰山軍”之名也隨之被帶到了第10軍。此後，該軍就一直在衡山附近整訓。
第10軍是19日才接到開拔命令的。由於時間緊迫，根本來不及進行充分的作戰準備工作，也沒有對官兵進行必要的戰鬥動員教育，接到命令後，各部便匆匆起程。由於連續日夜行軍，部隊疲憊不堪，許多士兵邊走邊打瞌睡，有的甚至走着走着便倒在路旁睡着了。
22日，第10軍終於趕到金井地區。當晚，第10軍便接替了第37軍第140師在金井及其以北地區的防務。
當時，在金井北面的甕江、浯口一帶都有日軍。但浯口至金井間沒有大道，只有崎嶇的山路，且地形複雜。而沿甕江南下，交通十分便利。因此，第10軍判斷日軍不會從浯口直犯金井，而會從甕江沿大道南下。於是，第10軍以第190師防守甕江至金井間的大道，並將其作爲堵擊日軍南犯的重點，而以預備第10師駐守金井西北沿河的村莊。
由於預備第10師對敵情估計不足，加之缺乏嚴密的戒備，日軍一支騎兵部隊於23日拂曉前，從浯口取道崎嶇小徑直奔金井，對預備第10師進行偷襲。該師駐在金井西北最前沿的一個營，“鼾睡中被日軍突入營舍，亂刀砍殺，猝不及防，受到很大損失，死傷二三百人”；該師其他各部，“不知敵人夜間從何而來，有多少人，陣勢如何，於是在黑夜中盲目抵抗、搜索，亂作一團，師、團、營、連之間，失去聯繫。及到拂曉以後，方師長才把情況弄清，報告軍部”。
23日傍晚，預備第10師前哨發現日軍的騎兵部隊。方師長立即下令全師做好戰鬥準備。次日拂曉，日軍第4師團在飛機的掩護下向預備第10師陣地發起攻擊。戰至午後，日軍改變攻擊方法，以騎兵從正面衝鋒，以步兵從兩側包抄。方師長見部隊有被合擊的危險，立即下令撤退。金井遂告失陷。
方師長在戰後談起這次戰鬥時曾說：“敵人此次盡用騎兵，專打我們的指揮機構。我們剛離開第一個指揮所，日軍就搶先把我們第二個指揮所打爛了，破壞了通訊。他們有空軍優勢，偵察情報準確及時，行動迅速，使我們上下失掉聯絡，指揮意圖無法下達，部隊羣龍無首，遇有情況無心應戰，一味後退，戰鬥力完全喪失，以致我們這次如此慘敗。”
第190師於23日上午奉命佔領金井西面的古華山東北高地，堵截由浯口取小徑進犯金井的日軍後續部隊。第190師遂兵分兩路向古華山東北方向前進。途中與日軍第3師團先頭部隊打了一場遭遇戰。後奉命北上馳援第37軍第140師作戰。
24日，第190師又奉命返回到福臨鋪一帶設防。朱師長率部佔領福臨鋪北面之樑家?F陣地，以第568、第569團佔領?F北警戒慄橋之敵；朱師長親率第570團及師直屬隊佔領樑家?F南端之高地。不料，朱師長在率部行進中突遭日軍迂迴的一隊騎兵的側擊，朱師長負傷，副師長陣亡，師部直屬部隊和第570團潰散。不久，另兩個團在日軍的進攻下也向南撤退。
25日，第10軍軍部由金井向西南轉移至孫家橋。傍晚，日軍跟蹤而至，第10軍軍部被圍。李軍長率特務營邊打邊向西北突圍，一直跑到青山鋪，脫離了戰場。
日軍在擊潰預備第10師、第190師後，又集中兵力直撲第3師福臨鋪附近高倉段一線陣地。第3師雖拼死抵抗，無奈日軍兵力過於強大，第3師很快被其分割成數段。戰至26日，周師長只好令各團突圍。
至此，素有“泰山軍”之稱的第10軍全線潰敗。
日軍第11軍司令部在9月22日中午發出向汨羅江南岸攻擊前進的命令後，下午便開始籌劃下一步的作戰指導方針。經過討論，形成這樣一個決定：在擊敗金井附近中國軍隊後，應向瀏陽河下游追擊，繼而攻取長沙。
23日，日軍第11軍各師團對第9戰區的第26、第37、第10軍展開全面攻擊。
當天早晨，天空正下着大雨。阿南惟畿在睡夢中被雨聲驚醒。他醒來做的第一件事就是“祈禱上蒼，但願雲開霧散”。因爲雨天不利於進攻，特別是對作戰飛機的影響更大。阿南惟畿認爲，“今日爲決戰日”，“此次會戰，應在今夜至明晨決定大勢”。
24日傍晚，前線陸續發回戰報：日軍各個師團對第26、第37、第10軍的包圍圈業已完成，正在圍殲之中；第3師團已將第140師擊潰，傍晚時從福臨鋪東北方轉入縱隊追擊；第6師團於早晨佔領金井，切斷了中國軍隊的退路；第26軍的無線電臺正午仍在蒲塘北方，企圖向東南方逃脫；中國軍隊有向長沙撤退的跡象。
阿南惟畿看到上述戰報後十分高興，他在日記中寫道：“大勢已定。第9戰區薛司令長官部撤出長沙，移往湘潭。第26軍準備向東北逃脫。而新調來的第10軍已遭我第3師團痛擊陷於混亂。”
根據上述戰場態勢，日軍第11軍司令部按照“以一支有力部隊監視瀏陽方面的第74軍(殲滅其先頭部分)以主力追擊敵軍，奪取長沙”的既定方針，制定了向長沙追擊的作戰命令。
其主要內容包括：
一、軍決定以一支有力部隊掃蕩殲滅金井方面包圍圈內之敵，並以主力向長沙追擊敵軍。
二、第4師團應經黃花市向瀏陽河河口附近追擊敵軍，並及時渡過瀏陽河向長沙東側地區繼續追擊。
三、第3師團應經長沙市向金潭附近追擊敵軍，並在該地渡過瀏陽河向長沙南側地區繼續追擊，應以一部兵力將現包圍圈保持到25日正午。
四、第6師團應急速進入北盛倉附近撈刀河河谷，如敵第74軍已進入該河谷，應即就地將其擊破，特別應以有力部隊確保現包圍圈，並與第40師團協力完成對金井附近敵軍的掃蕩。
五、第40師團應從24日夜至25日，掃蕩殲滅金井包圍圈內敵軍，以後於金井附近準備追擊。
上述作戰命令經阿南惟畿過目後，立即獲得批准。
24日19時，阿南惟畿正式下令：向長沙追擊!
在短短的一個星期內，第9戰區第26、第37、第10軍三個主力軍便先後被日軍擊潰，這令薛長官十分惱火。日軍正在向長沙步步緊逼，第9戰區的戰場態勢越來越不利，薛長官決定讓第74軍擔負起阻止日軍南下的重擔。他認爲，如果第74軍能阻住日軍，那麼，第9戰區聚重兵於撈刀河一線，與日軍還可一較高下。
薛長官之所以讓第74軍擔此重任，是因爲第74軍有着驕人的抗戰業績。特別是在1941年春季的贛北會戰中，第74軍奮勇殺敵，使日軍傷亡慘重，贏得了“抗日鐵軍”的稱號。但是，這一次第74軍在象非洲草原上的鬣狗一樣蜂擁而來的日軍面前，並沒有能夠堅持多久。
27日晚，第74軍各部奉命突圍，向醴陵集結。
第74軍的防線被擊破後，通往長沙的屏障已全部被清除。