薛岳鉴于日军进攻长沙的意图已十分明显，为加强湘北防御，遂于19日将浏阳河附近的第70军和修水附近的73军，拨归第15集团军指挥。第15集团军将第70军部署于岳阳至长沙中间的汨罗江南岸，增强第二线防御；以第73军为总预备队，控制于平江附近。
9月23日拂晓，日军第6师团及奈良支队在强大炮火掩护下强渡新墙河，分别突破守军主阵地。上村支队则提前于9月22日晚在岳阳登舰，进入洞庭湖，利用夜暗，隐蔽向南航行80公里，于9月23日6时与其正面主力开始总攻的同时，在汨罗江口（汨罗江与湘江、横岭湖交界处）的营田附近实施登陆。
中**队进行拦截，但因兵力火力都不足，上村支队在舰炮、飞机支援下登陆成功，随即溯汨罗江向东突击，企图切断汨罗江以北中**队退路，将第九战区战役布局割裂。
营田登陆是冈村宁次整个作战计划中的重要一着，日军企图从中国守军左翼切断新墙河、汨罗江两道防线守军的南退之路，同时向守军侧背给予致命一击。
9月24日，第15集团军各部继续抵抗日军。鉴于正面主阵地被突破，由营田登陆日军又威胁侧后，薛岳遂令第15集团军以一部留于新墙河与汨罗江间占领中间阵地，迟滞日军，主力即刻向汨罗江以南转移，占领第二线阵地。
25日，日军乘第52军向汨罗江南岸转移之际跟踪追击，其一部乘隙偷渡汨罗江，袭占新市。新市是东西和南北两条公路的交会点，是新墙河南撤的重要通道，又是第37军所辖第60师和95师的接合部，其地位十分重要，必须坚守。
26日凌晨3时，日军在炮火、飞机支持下，向汨罗江南岸猛攻，守军凭既设阵地坚守抵抗。激战竟日，双方均遭受重大伤亡，形成对峙。
这时军委会指示第九战区按原定方针，以六个师的兵力配置于长沙附近，乘敌突入长沙、立足未稳之际与敌决战，侧击而歼灭之。
薛岳即按此调整部署：第73军占领金井、福临铺以东地区，对南进之敌形成侧击；第52军以一部留置于新市、浯口现阵地，牵制敌军，以主力占领长沙以东阵地，协同第73军夹击进至长沙附近之敌；第59师预伏于长沙东南地区，第11师配置于岳麓山至乔口地区；第77军一部留置于新市附近现阵地牵制敌军，主力转移至株洲附近；第4军主力占领湘潭及其前方据点；第79军确保幕阜山根据地；与敌正面接触的部队应极力诱敌至伏击区域，包围敌人于战场而歼灭之。
9月27日，以上各部队调整部署完毕。
9月28日，日军第6师团由汨罗江向南突进，上村支队沿粤汉路南进，因不断受到守军阻击和伏击，进展缓慢。奈良支队由瓮江转向平江，企图策应第33师团夹击中国第27集团军及第79军。
29日，日军第6师团一部在金井方面遭守军伏击，陷于激战；其另一部由福临铺突过捞刀河后，受到守军第60军和第195师有力阻击，前进不得。
30日，奈良支队虽然进至平江以东与第33师团会合，但反受到中国第79军和第20军夹击，中**队一些部队正直后撤，另一些部队却在两翼集结，欲将日军包围而歼灭之。
这时，日军第3师团长藤田进、第6师团长稻叶四郎、第13师团长田中静一，三封电报摆在冈村宁次案头，要求攻入长沙；然而狡猾的冈村宁次，却已看出对手薛岳在给他准备一张网，日军有被围歼之虞。
冈村宁次遂于30日下午4时，下令攻至上杉、永安的部队停止前进，并准备退却。10月1日，进至长沙附近的第6师团一部停止进攻，撤回捞刀河以北。
同日，日军运输舰将刚装载完毕的火炮又卸回岸上，由汽车拖回岳阳方向。
根据这些迹象，薛岳判断日军准备撤退，即给陈诚打电话报告敌情。
陈诚立即命令薛岳：“趁机追击而歼灭之！”
然后告诉薛岳：“伯陵兄啊，有好消息告诉你，关于你为第九战区司令长官的正式任命，文件已经发表，明天你就能见到。我第一个祝贺你！务望伯陵兄，再接再厉，在湘北打个大胜仗！让国人为之一震，使日寇为之沮丧！”
薛岳高兴地说：“多谢辞修兄，你在委座面前美言！我一定竭力而为，决不辜负您的厚望及委座的器重！”
薛岳刚接完陈诚的电话，又收到关麟征断定日军将要撤退的电报。
他立即命令：“第15集团军所属第52军和第73军转入追击，其他部队给撤退之敌以伏击、侧击和截击，以汨罗江西岸为第一追击目标。”
同时命令：“湘北正面各部队，以现态势立即向当面之敌猛烈追击，务于岳阳、崇阳以南地区捕捉之。”
各部接令后积极行动，10月3日追至福临铺、金井，4日克复汨罗、新市。日军退至汨罗江以北。5日，位于营田附近的日舰，受到中国第54军新编第23师袭击，也退往岳阳。
8日，日军全部退回新墙河以北。第52军第195师追过新墙河，恢复前进阵地，并先后乘夜袭击西塘、桃林的日军。10月16日，双方恢复战前态势，湘北作战结束。
10月16日，第九战区部队全部恢复到战前所在位置。日军也在原出发地域重新设防。至此，第一次长沙会战结束了。