第一四０師經第一次長沙會戰和冬季攻勢兩大戰役後，傷亡重大，於1940年6月奉軍委會命令歸還第三十七軍建制，7月開赴平江以南甕江-金井地區整訓，並改編為調整師。師長李棠利用整訓機會，大力加強部隊訓練。1941年1月及9月該師兩度接受中央校閱委員會校閱，戰技、體能、內務、武器保管等均受好評，被認為是全國難得的勁旅，旋奉蔣委員長來電嘉獎！經過一年多的整訓，第二次長沙會戰前，該師齊裝滿員，士氣高昂，全師官兵12452人，裝備步騎槍2433支、擲彈筒178門、輕重機槍249挺、迫擊砲30門（見第九戰區第二次長沙會戰我軍參戰實力統計表），除了沒有戰車防禦炮和山野炮外，兵員、裝備在國軍中均躋身上乘水平。整訓期間，下屬835、837、840團依次改稱418、419、420團，師並成立野戰補充團。

第一次長沙會戰，日軍第11軍受到第9戰區頑強阻擊和側擊，未達目的而撤回，心有不甘。此後，第9戰區仍與日軍第11軍隔新牆河對峙於湘北地區，是日軍第11軍的心腹大患和強勁宿敵。1 941年夏，日軍第11軍決定對第9戰區再次發動進攻，以“摧毀敵抗戰企圖，予第九戰區敵軍一次沉重打擊”。

自8月中下旬起，日軍在湘北集結了第3、第4、第6、第40師團和第13師團早淵支隊、第33師團荒木支隊、獨正混成第1 4旅團之江藤、平野支隊及坦克、砲兵、工兵等大量配屬部隊約10萬多人。此外，參加此次作戰的還有其第1、第3飛行團和海軍一部。

鑑於第一次長沙會戰時兵力分散的教訓，日軍第11軍司令官阿南惟畿將進攻部隊並列部署於狹窄的正面，以期進行縱深突破。44個大隊及322門火砲和迫擊砲展開於新牆河以北楊林街到沙港河下游一線僅20公里寬的正面上。僅派獨立混成第14旅團第63大隊(平野支隊)乘船溯湘江南下，進攻青山、營田，掩護其右側翼，並策應正面主力作戰。9月18日凌晨，日軍發起全線攻擊，在砲兵、航空兵火力支援和戰車協同下強渡新牆河，第4軍各師憑藉既設陣地抗擊日軍。其中，尤以第102師最為頑強，一個師正面抗擊日軍第3、第4、第6師團的集中攻擊，連續打退了日軍數次強渡，並集中該師所有追擊砲封鎖河橋通道，使日軍攻勢稍減。前線3個團在日軍進攻下奮戰抵抗，師長柏輝章則日夜坐守電話機旁，嚴令各團不得後退一步。打到天明，隨著日軍的攻勢加劇，第4軍各部漸漸支持不住。儘管各部奮勇抵 抗，但由於兵力懸殊，仍然未能阻止日軍的前進。18日上午，新牆河陣地已全被突破，第4軍各部轉入第二線陣地繼續抵抗。至下午16時，第4軍第二線陣地又被日軍突破，軍長歐震不得不命令所部向關王橋以東山地轉移，佔領有利陣地，以便於爾後機動或側擊日軍。突破第4軍的陣地之後，日軍主力不與守軍糾纏，仍繼續向以南約35公里的汨羅江一線猛烈推進。中路的第6師團36旅團的第45聯隊第1大隊，在9月19日晨，與撤退的守軍一部幾乎是同時到達了汨羅江北岸的長樂街一帶。至19日傍晚，日軍第3、第4、第6師團相繼到達汨羅江北岸，並有一部進至汨羅江南岸新市、顏家鋪、浯口各附近。

9月18日下午，第九戰區司令長官薛岳命令第一四０師以一個團自金井推進到長樂街附近任汨羅江南岸守備，以主力於麻峰嘴附近佔領陣地。師長李棠隨即組織進行火線宣誓,全師官兵鬥志昂揚，決心誓死殲滅日寇,為死難同胞報仇雪恨。然後李棠令陳肅（貴州鎮遠人，黃埔軍校第五期畢業，後任牟廷芳第94軍副官處長，內政部交警第六總隊總隊長，1966年獲釋後曾任成都地區黃埔軍校同學會理事。為邱行湘妻兄）第418團向汨羅江南岸急進，限於19日拂曉前到達浯口-顏家舖一線，佔領扼要陣地，阻擊渡江南進之敵。命令程奎朗補充團附419團3營為右地區隊在顏家鋪、橫坡嶺、東山寺、栗山巷、大頭嶺東西地帶佔領陣地構築工事；牟龍光420團為左地區隊，在栗山巷、鴨婆山、興隆山、桃花山之線佔領陣地，拒止敵人前進；徐定遠419團（欠3營）暫控制於鯉魚鋪以北偏右為師預備隊。

418團急行軍一夜於19日拂曉到達長樂街南岸之太子河、周公塘一帶，適敵步騎炮千餘向95師蔡挺起團三面進犯，敵眾我寡，蔡團一連僅餘排長一人，連長李愛臣以下均戰死，418團先頭曹曉亭連趕到當即向敵猛烈進襲，團主力佔領磨刀尖、顏家鋪、黑石廟一帶前進陣地。日軍第6師團23聯隊與45聯隊1大隊先後渡過汨羅江加入戰鬥，418團死守不退，守顏家舖的排長高爾松戰死，三個班長還是指揮弟兄們繼續抵抗，後三個班長亦皆戰死，弟兄們仍自行抵抗，絕不動搖，結果全排只剩三人。敵雖猛攻一天仍阻止於我臨時佔領的一線陣地上。是日全師遂得佔領栗山巷前橫坡嶺、蔣家洞至文昌閣一帶主陣地，以興隆山、珠樹墩、豬婆洞等地為前進據點。

20日，418團經過竟日戰鬥，敵我均有重大傷亡，但該團滯延敵人目的已達，奉令後撤至栗山巷後方整理。凌晨1時，師長李棠接薛岳電報：特派獨立工兵第5團王團長民寧率該團2營及博福斯山砲營赴鯉魚鋪歸140師指揮。李棠隨即令山砲營到達後推進到鯉魚鋪以北地區進入陣地，工5團2營協助並掩護其投入戰鬥。

日軍後續部隊愈來愈多，佔領我前進陣地後，繼續向第一四０師主陣地大舉進攻，堅守曾家坡的排長胡旭守率全排死守，終寡不敵眾，全排壯烈犧牲。敵以空軍、砲兵協力向我守軍陣地轟擊，敵幾次沖鋒皆被我以白刃戰擊退，後因傷亡過大，興隆山等陣地失陷。傍晚，140師又施行反攻，奪回興隆山、鴨婆山、馬頭嶺及東山寺前小高地。

當日，日軍截獲第九戰區準備由東方側擊日軍，並在汨羅江一線與日軍進行決戰的會戰指導方案。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第九戰區主力。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、栗橋挺進，包圍第37軍。各路日軍開始沿汨羅江作橫向運動，140師當面日軍第6師團向東移動到甕江方向，第3師團調往第一四０師正面接替第6師團，第4師團移向新市附近地域接替第3師團，企圖以第4師團主力從第99軍第99師與37軍第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師團主力向140師正面進攻，於21日突破栗山巷一線，打通栗山巷到金井通道，分割37、26軍，以第3師團第29旅團從浯口南下，沿東方山路插到第一四０師右側背，進入37軍後方，切斷37軍向金井方面的退路，一舉將第37軍包圍消滅。同時以第6、第40師團向左迂迴，包圍、殲滅其左側翼威脅最大的東部山區金井一帶第26軍3個師，然後再繼續南進。

第3師團與第6師團並稱“姊妹強勁師團”，是侵華日軍中數一數二的主力師團（有論者認為是侵華日軍中戰鬥力最強的一個師團），也是二戰中從開戰到投降一直在中國戰場作戰的唯一一個常設師團。雖然自1940年以來，日軍將許多以前兩旅團四個步兵聯隊的師團如第6師團縮編為三個步兵聯隊，取消旅團，但第3師團此時仍保持兩旅四個步兵聯隊的編制。這個師團原來駐在豫鄂邊境信陽、黃陂、黃安、隨縣、庭山一帶，這次調來進犯長沙，除留騎兵聯隊及約兩個大隊外，第11軍又給其配屬了獨立山砲兵第3聯隊、山砲兵第36聯隊第3大隊、山砲兵52聯隊一個中隊等部隊，並以之擔任進攻的中路主力部隊。

該師團自8.13淞滬會戰以來，先後參加佔領南京、徐州會戰、武漢會戰、隨栆會戰等戰役，一直未曾受到中國軍隊有力打擊，是以不可一世、驕狂萬分，其師團長豐島房太郎戰前曾對其部屬訓示：

“本師團參加某方面進攻，予敵以重大打擊，實為解決事變之一大因素。

當此皇國國勢危急之秋，正為我國指揮最大戰鬥之時，其意確定大，本師團是保持主宰戰，以達成作戰的傳統……”

不過，這回第3師團要成為戰場的主宰，還得要通過第一四０師這一關。

21日上午，第一四０師發現當面日軍炮聲沉寂，槍聲稀少，似有撤退模樣，遂命420團派兩連，由當面出擊，419團符營及補充團第2連亦同時協力前進，師騎兵連則向浯口方面搜索，同時我山炮亦發揮威力，猛轟鴨婆尖（山）敵陣地，敵不支潰竄，我跟踪追擊，奪回鴨婆山等地，直迫汨羅江南岸。午後約1時日軍第3師團到達，向第一四０師猛烈攻擊，興隆山又失，第一四０師隨即以419團、420團各一連，會同419團一營，在砲兵支援下兩路夾擊反攻，興隆山再次奪回。

鑑於日軍炮火強大，師長李棠於是令各團前進陣地守軍除部分陣地尚能固守以外，其餘則逐次撤退；如敵兵過於接近，則堅決實施逆襲，再行撤退。黃昏後，戰事停息。第一四０師趁機調整部署：419團以主力扼守栗山巷東西地區，其一部仍留置該團後方；420團、補充團各向左右讓出500公尺，以便419團佔領。

22日晨，日軍以炮、空聯合協同大量步兵猛烈攻擊蔣家洞、朱樹墩、興隆山各陣地，戰鬥越演越烈，上午前140師各團前進陣地幾乎全被敵炮火摧毀，我砲兵雖然努力制壓，但數量太少，並未收到顯著效果，部分前進陣地被敵攻陷。雙方又在興隆山展開第三度爭奪，據守朱樹墩之楊炳春排被敵包圍，從正午戰到下午六時，敵軍幾次沖到陣地都用白刃戰將敵擊退，後楊排長身中三刀，腳上中二彈，還支撐著扔出一枚手榴彈，再中一彈，遂壯烈殉國，全排士兵只剩下三人負傷生還。蔣家洞陣地補充團1營死傷殆盡，經李棠師長派419團一部增援，陣地始轉危為安。

22日中午，突破甕江南下的第6師團主力攻陷甕江西的南陽廟、班君廟諸陣地。第一四０師右側受敵威脅，复迅以419團佔領大頭嶺，對包圍之敵實行堵擊。下午3時，補充團以敵攻擊猛烈，屢次告急，師長李棠一邊嚴令該團不顧一切、竭力固守、以盡軍人之責，一邊調418團開赴補充團右翼，利用山地林木隱蔽，迅作反擊準備。下午4時， 418團出敵不意向敵左翼發動猛烈攻擊，配屬的山炮和第一四０師迫擊砲也向進攻日軍集中轟擊，補充團守軍也躍出陣地奮起出擊，一時殺聲喧騰，炮火轟鳴，日軍措手不及，遭受重大打擊，攻勢為之頓挫。

薄暮，敵又三度向補充團陣地猛攻，蔣家洞在反覆爭奪後，被敵突破。

同日，阿南惟幾得知被日軍視為最大勁敵的中國軍隊最精銳的第74軍已向瀏陽附近集結，而第九戰區的另一支主力第10軍也由衡山嚮金井開進，立刻緊張起來。如果再讓這兩個軍順利投入汨羅江戰場，後果將不堪設想。出於這種考慮，阿南惟幾決心趕在第74軍和第10軍到達戰場以前擊破當面之第37軍和第26軍。於是他於11時命令各師團將原定是日傍晚開始攻擊的時間提前到日落前開始。當晚，為最大限度地集中兵力，第11軍司令部又命令第6師團放棄佔領平江的計劃：“在第40師團進入金井北側地區後，應及時將主力向撈刀河上流河谷轉進，切斷金井方面敵軍向瀏陽方面的退路，並阻止敵第74軍從瀏陽方面前進”。阿南惟幾的命令下達後，第3師團立即開始行動。徹夜向140師陣地進攻。但很快遭到140師的頑強阻擊，140師利用複雜的地形和茂密的松林為掩護，節節抵抗，寸土必爭。日軍一連向蔣家洞陣地攻擊六次，陣地兩次被敵人突入，都被守軍隨即反撲奪回。兵力佔絕對優勢的日軍猛攻了一天一夜，也沒有突破140師。同日，日軍第6師團從浯口向甕江北側轉進，先頭友成聯隊在甕江附近與剛剛到達戰場的中國第26軍44師遭遇。第26軍第32師向浯口日軍後方攻擊，在三江口一帶與第6師團平岡聯隊遭遇，雙方發生激戰。

師長李棠鑑於第一次長沙會戰時，日軍33師團猛攻第一四０師雞籠山、322高地及王芽尖陣地三日未能得逞，即轉攻右鄰苦竹嶺陣地，得以竄至桃樹港。預料明晨敵必以優勢兵力繼續由正面猛攻，另以有力一部包圍深入140師側背，如果這樣，以第一四０師現有兵力將無法抵禦。遂急電薛岳及37軍軍長陳沛求援。

23日凌晨，先後接薛岳及陳沛電，已令第190師朱岳部及95師284團黃紅團長（黃紅，湖南寶慶人，1906年生，黃埔軍校第五期畢業，第三次長沙會戰率部攻擊桂峰尖，時被敵機掃射陣亡，1942年5月被國民政府追贈陸軍少將軍銜）星夜馳援，歸李棠指揮（注： 22日，薛岳已命第10軍第190師務於本夜推進至麻峰咀、檢市廠間東側地區，策應第一四０師作戰，並以一部肅清浯口東南經南陽廟向彭家坳流竄之敵）。

23日拂曉，日軍傾全力猛犯，空軍低飛掃射，各部與敵完全肉搏混戰，慘烈已極，興隆山又陷，日軍集中主力向栗山巷突擊，適95師增援的284團適時趕到，將敵遏制，隨後李棠令該團會同420團向興隆山猛烈反擊，軍部亦以特務營搜索隊牽制，我以山炮、步炮密集向興隆山轟擊協同步兵反攻，興隆山第四度奪回!但守東山寺之野戰補充團新兵較多，裝備亦差，官兵戰鬥經驗亦少，雖有殺敵決心，與建制團相比畢竟較弱，與敵軍經過數小時戰鬥，已有傷亡。越夜到天明，敵猛烈攻擊該團右翼陣地，官兵傷亡較重；團指揮所落下砲彈數發，機槍連連長宋治湘陣亡。敵軍在陣地前傷亡累累，仍不斷組織進攻。激戰至次日黃昏暫時沉寂下來。入暮後，野戰補充團調整部署，將團指揮所轉移到大頭嶺，繼續進行戰鬥。

但李棠擔心的事情終於還是發生了，右鄰第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，被迫撤退至蒲塘。32師放棄雙江口大道，向東轉移。正午以後，由浯口南下之29旅團沿東邊山地一路南下，竄到第一四０師右側發動猛攻，突入側後的日軍小股部隊，趁亂摸入第一四０師後方的傷員收容所，200餘名傷員在日軍輕重機槍密集的彈雨下倒在了血泊之中。禍不單行，下午五時左右左翼之95師神鼎山陣地也被敵佔領，第一四０師全線陣地已孤立在大頭嶺、鴨婆山，興隆山、桃花山之線，全師官兵於混亂之中只能各自為戰，雖傷亡慘重，但仍在堅守陣地，並不斷尋求敵之弱點，施以逆襲。至十時，栗山巷棄守，敵砲兵由東、南、北三面集中轟擊第一四０師指揮所所在地大頭嶺，在補充團第2營猛烈火力壓制下，敵仰攻困難，傷亡累累。一股日軍乘隙從東南方面，一度衝到離指揮所只四五百公尺，師長李棠一邊令418團進入雙江口西方山坡地帶進入陣地，支援補充團阻止該方面日軍繼續向大頭嶺師指揮所進犯，一邊令師部僅餘的軍士隊（其時師特務連已先用在前線）會同工兵營拼命將敵擊退。惟此時得派往接應朱岳190師的何副官報告，朱師何團約於上午八時行抵脫甲橋，及獲敵人即將抵達的消息後，該團立刻向東邊山地開去。似此，朱師增援已無望（注：9月20日，第10軍從株洲開赴戰場，於22日到達金井一帶。9月23日，第190師前衛團與日軍遭遇，剛要展開戰鬥，師長朱岳接到軍長李玉堂電令，速趕往神鼎山解37軍第一四０師之圍，部隊扔下輜重、輕裝跑步趕到神鼎山附近剛剛擺開隊形，忽又接薛岳命令，立即返回福臨舖一帶形成防禦線阻敵南進。何副官遇到的可能即是190師的這個先頭團。於是190師又是一場急行軍，按時到達指定位置。朱岳將師部設在福臨鋪附近的梁家。幾番勞而無功的折騰，部隊疲憊不堪，連夜構築工事乾了一個通宵。黎明時分剛設好陣地，日軍就向190師發動猛攻。一仗下來，第190師損失慘重，師長朱岳重傷，副師長賴傳湘犧牲，於是只好退回了出發陣地，結果又遭到另一股日軍的攻擊，雖暫時打退了日軍的攻勢，但已無力繼續支撐，於是乘夜色向西撤退，增援第一四０師失敗）。正午稍過，博福斯山砲營王營長又電話報告：“砲彈用盡，但彈藥儲存株洲以南，無法運補。”李棠只得忍痛令該營迅速撤離戰場，歸還建制，同時也命工五團王團長率該團2營隨砲兵營一同向長沙撤退。

此時戰場情勢緊張已達嚴重關頭，第一四０師彈盡援絕，全天未進飲食，身陷重圍，仍苦戰支撐。師長李棠向薛岳陳沛報告：“現已彈盡糧絕，全部兵力也使用殆盡”，李棠的電報被日軍截獲，日軍第3師團師團長豐島房太郎認為“此正殲敵良機”，立即親赴第一線督勵攻擊，日軍攻勢更為積極兇猛，但日軍沒有想到，第一四０師在彈糧俱缺且三面受圍的情況下仍奮勇作戰，與敵寸土必爭。戰鬥進入白熱化。95師黃團官兵亦沉著勇敢，屢次殺退衝入陣地內的敵軍。黃昏前，日軍雖不顧傷亡，瘋狂攻擊，但在第一四０師的英勇抗擊下，各部皆傷亡重大、疲憊不堪，雖然豐島房太郎下達了“入夜仍須繼續攻擊，務期全部捕捉敵軍”的命令，但僅有包圍圈北側的野部隊（第5旅團第68聯隊，聯隊長野憲三郎大佐）17時進入茅草坪東西一線，準備夜襲大頭嶺，其餘各部均行動消極。入夜後，戰場漸趨寧靜。

李棠師長鑑於第一四０師在日軍三麵包圍下激戰終日，陣地雖然堅守依舊，但由於補給路線被截斷，增援亦也無望，被迫命令各部於晚7時開始突圍。24日晨，師長李棠率直屬隊撤到明月大山。第420團撤到李家煅附近，遭敵先遣便衣隊襲擊，旋又遭敵機轟炸，經數小時收容，全團於24日夜撤至明月大山南端，與師部取得聯繫，25日於苦竹坳與第10軍第3師取得聯絡，並與長官部直通電話。薛岳電令第140師撤到長沙南郊黃土嶺集中。26日，師部及第419團，直屬隊、420團，除留副營長黃立勳率兵兩連在梓木洞、明月山東、影珠山一帶游擊和派第419團郭光程營在靖港以東活動以牽制敵人外，其餘都撤至長沙。

李棠師長及第419團、第420團、直屬隊撤到黃土嶺後（95師284團已令撤出陣地後經鯉魚鋪西行，歸還建制），與薛岳通了電話，奉命撤到衡山集中。李棠雖擬整頓隊伍，伺機再行作戰。可惜電台在突圍中走失，與418團和補充團失去聯繫，李棠師長只得恨恨作罷。

陳肅418團在突圍途中電台損壞，在跳出包圍圈後，與師部失去聯繫，25日傍晚進至蒲塘附近，正遇蕭之楚第26軍軍部和第32師被日軍團團圍住，在日軍優勢兵力的猛攻下，26軍岌岌可危。該團見情勢危急，已無暇考慮，立即吹起了衝鋒號，從北面日軍薄弱處殺入。第26軍見有部隊接應，頓時精神大振，和第418團裡應外合，終於撕開了一個缺口，於晚上沖出了敵人的包圍圈。第418團接應第26軍突圍後，輾轉經瀏陽大山西麓之焦溪嶺、上華山之線，逐步撤到株洲。

程奎朗野戰補充團奉令在大頭嶺掩護師主力轉移。途中，與師派出聯絡軍官失去聯繫，並不斷與敵發生遭遇戰。翌日拂曉，隨同行動的部隊只有六個連，其餘部隊皆失去聯繫，因而未能突破防線。程奎朗率部輾轉到長沙東北上杉市附近，見敵機投下傳單，上印“大頭嶺第一四０師被殲滅，師長、團長全部被俘。”程明白為日軍的心理戰，但也不禁為師部安全擔心。第三日，補充團經上杉寺撤至黃花市，遇第一四０師老師長、第九戰區長官部前進指揮所沈久成，沈見程大喜： “薛長官與你們師失去了聯繫，敵軍謠傳你們師、團長被俘，很不放心。”沈要程即時向薛岳通話，薛聽到140師安全轉移的報告非常高興，要程在黃花市待命，薛接著說：“你們師長已來電報，他們現在明月大山。”

次日，沈久成轉達薛岳命令，要程率現有兵力，開赴撈刀河佔領陣地，守備渡口。此時程身邊尚有四個連的兵力，下午三時許到撈刀河南岸，構築工事。接著敵騎兵數百人，紛紛向北岸奔馳而來，補充團隨即進入戰鬥準備，待敵騎先頭逼近南岸，我輕重機槍同時掃射，敵猝不及防，掉轉馬頭飛奔而逃。入夜，37軍軍長陳沛率軍部人員來到撈刀河，令程擔任軍部掩護。午夜敵軍後續部隊乘夜向河北岸運動，與我隔河對峙，互相射擊。凌晨，補充團至東南渡附近，遭到敵便衣隊襲擊，同時有三架敵機向我軍掃射，於是補充團派出一部兵力將敵擊退，其餘部隊則佔領河岸附近陣地，掩護軍部安全渡河，向株州方向轉移。待陳沛軍部渡河後，程團部隊隨即渡河，當晚遂營於易家灣，午夜，李棠師長令野補團開衡山石灣與師主力匯合集結整頓。

在重創26軍、逼退37軍後，日軍分別在3天內擊敗第10軍和第74軍，27日日軍進入長沙，28日沖入株洲。

日軍大部隊殺向湘北腹地後，留在日軍側後方的楊森第27集團軍（第4、第20、第58軍）開始活躍，不時乘敵不備從後方襲擊日軍小股部隊、輜重部隊及後方要點，破壞日軍後方通信，打擊日軍後方交通運輸線，“像一群討厭的牛蠅”一樣跟在日軍屁股後面一直跟到長沙附近，嚴重威脅日軍後方。與此同時，防守洞庭湖東岸的第99軍也趁當面日軍兵力減少之機，以湘陰、大娘橋為支點，由西向東發動攻勢，以策應各方面作戰。這樣，中國軍隊開始逐步奪回汨羅江兩岸戰場的主動權。

28日，第4、第20軍由甕江、蒲塘及魯家橋、喻公橋向麻峰嘴、白沙橋及脫甲橋、金井，第72軍協同重整旗鼓的第26軍向沙市街，第99軍(欠第197師)及第140師向石子舖發動攻擊，嚴重威脅日軍後方，給日軍的補給造成了極大的困難。

由於補給線被切斷，日軍主力舉步維艱。30日薛岳命令長沙周圍各部向敵發起反擊。第74軍一部由瀏陽西南山地及普跡市方面由東向西、第37軍由渡頭市方面自南而北、第10軍由楓樹河方面自西南向東北，對瀏陽河北岸之敵發起反擊。同時，第79軍(欠第82師)與第99軍(欠第197師)分別向長沙城東郊、東北郊之敵及楓林港、石子舖之敵猛擊。長沙及其外圍日軍因糧彈不濟，戰到下午16時紛紛後撤。當日，中國軍隊收復長沙。

10月1日，日軍第11軍下達“返轉”命令，中國軍隊轉入追擊，對撤退中的日軍展開追擊、截擊和側擊，至10月9日(日軍戰史記載為10月6日) ，日軍全部退回新牆河以北，恢復戰役前態勢。第二次長沙會戰至此結束。不過這一階段戰鬥中，37軍（除戰前劃歸第4軍指揮的60師）再未參加了，該軍已於10月1日奉薛岳命令向朱亭、衡山間集結整理。

第二次長沙會戰，第140師先後大戰侵華日軍兩大主力師團，在同日軍第6師團一部苦戰兩天之後又阻滯第3師團三天之久。惜因右翼友軍失利、增援部隊未及時趕到而陷入三面被圍、彈盡糧絕的境地，不得不放棄陣地突圍，但更為可惜的是，由於中國軍隊指揮失誤、通信失密、兵力分散、逐次投入等因素，白白浪費了140師將士血戰5天、力阻強敵換來的寶貴時間和戰機，以致後來投入的第10、第74軍等主力部隊遭到日軍各個擊破、損失慘重。

140師則因部署得當、指揮沉著，加以充分利用地形之利發揚火力，突圍堅定及時（如遲至24日突圍則日軍擊退190師後將對140師形成四麵包圍），雖在突圍中部分部隊一度失去聯繫外，按照李棠師長的回憶錄，全師傷亡3160人（按照《第九戰區第二次長沙會戰戰鬥詳報》，140師傷亡僅1119人，但該戰鬥詳報水分太多，下面再講），僅佔全師參戰實力的約25%。而日軍則遭到了會戰中最為堅強的抵抗，損失應不少於據險固守的140師。日軍戰史記載：“主力在栗山巷附近遭到敵140師的頑強抵抗”、“抵抗極為頑強。兩聯隊雖經力攻，戰鬥進展仍不如意”，“重信部隊方面，展開了激烈的白刃戰”等語。第3師團為日軍第11軍此次進攻之主力，以1個精銳主力師團對陣中國軍隊1個師，而結果竟然被140師遲滯了3天，損兵折將，遭受到了侵華以來最大的挫折，對該師團士氣也是一次嚴重的打擊。

會戰中，鄒洪暫編第2軍撿到敵人一份地圖，上面註明：“大頭嶺之第一四O師及大頭嶺以西之興隆山敵牟龍光部隊十分頑強。”圖上劃一箭頭，指示次日以飛機八架協助進攻大頭嶺及興隆山、桃花山陣地。當這份地圖呈報蔣介石後，蔣介石當場表揚：“第一四O師栗山巷、大頭嶺之役能抵制敵人的主力進攻，這不是第一四O師強了，而是敵人弱了，今後各部要學第一四O師奮力抵抗的精神。

戰後，第九戰區在戰鬥詳報中這樣評價140師：“第九五師、第一四。師於長樂街、伍公市、新市線，麻峰咀、李家塅線及撈刀河南北兩岸逐次猛烈反擊、側擊南犯之敵，予敵以重大打擊，戰績次優，擬請獎給該兩師各一萬伍千元，並頒給師長羅奇、李棠寶鼎勳章各一座”，雖然這份詳報充滿誇大、掩飾和責任推卸，對各部隊戰績和功過的評價更是有失公允，最後沒有被軍事委員會認可，其中的絕大部分獎懲措施都被軍事委員會推翻，但對140師戰績的評價還是符合實際的，只是列為次優卻顯失公正。

餘聲：10月17日，蔣介石親自主持召開南嶽軍事會議。對第二次長沙會戰進行總結檢討。

10月21日，會議宣布了對第二次長沙會戰的賞罰令：

一、第79軍渡河進攻長沙之先頭兩團，每團各賞洋5萬元。

二、第74軍57師指揮李翰卿陣亡，其家屬應先撫卹5萬元。

三、營田、湘陰、蘆林潭覆沒之部隊官兵姓名與戰績，應先行特報。第197師590團2營少校營長劉虞卿，與該營機槍2連1排中尉排長黃治國殉職，應予獎勵，照例撫卹。又第99師295團1營少校營長曹克人率部守備湘陰城，殉職官兵，應予特獎，由薛長官查報，再行核辦。

四、第10軍190師賴副師長傳湘陣亡，撫卹5萬元，並立傳。

五、第190師師長朱岳受輕傷，由司令長官擬定辦法呈核。

六、第58師師長廖齡奇臨陣脫逃，應即槍決。

七、第102師退後之各團長與政工人員，究竟是否臨陣脫逃，有無被俘情事，限半月內徹底查報。

會後，各部隊進行了對日作戰重要戰役之後最為深入、效果也最好的“全軍大檢討”。

第九戰區檢討：

一、對阿南惟几上任後敵11軍作戰方案的變化判斷失誤。

二、戰區作戰方案基本沿用上一次會戰舊案，無因敵情而相應變化，至會戰初期連續失利。

三、兵力分散使用，其結果是分別為敵之強大兵力集團擊破，損失重大。

四、選擇決戰地帶主觀隨意。以保守長沙為目的，將決戰地帶一再北推，卻非但不能形成決戰條件，後來連長沙也被敵佔領。

五、通信失密。初期因此失去戰場主動，後期查覺破密卻無備用密碼，只有如明語般續用數日，敵截取戰區追截退逃之部署，戰果大減。

六、作戰初期大雲山之役為敵所乘，致湘北正面兵力虛空，開戰數小時便被敵突破一線。

七、軍紀敗壞。師長臨陣脫逃者有之，敷衍命令不力戰者有之，貪功虛報、畏縮不前、不主動協同、遺棄傷員烈士、被俘變節甚至搶劫百姓、強奸民婦者均有發生……

楊森第27集團軍的檢討則細到各作戰階段：

甲、新牆河北岸序戰時期

一、敵情判斷似嫌主觀。

二、友軍彼此不相信，致乏協同。

乙、新牆河南岸至瀏陽河北岸作戰時期

三、部隊一般運動遲緩。

四、各級指揮員統率能力薄弱。

五、各部隊官兵紀律太壞。

六、奉行命令不徹底，甚至對所受任務取巧規避。