战斗过程
1941年12月31日日军的第3、第6和第40这三个主攻师团分别进抵长沙城外，并依据计划分别从北、东、南三个方向向长沙发起进攻。1942年1月1日，日军攻势更加猛烈，喊出了“到长沙城过元旦”的口号。日军和国民革命军第十军的主力—方先觉所部预10师首先在长沙南郊的金盆岭至猴子石一线附近展开激战，所部29团依托阵地和迫击炮奋力抵抗，日军也毫不示弱在飞机和火炮掩护下向守军阵地发动了多次猛烈冲锋，战至上午10点，阵地被日军攻占。日军随后推进至由第28团防守的二线阵地，28团团长葛先才率部奋力抵抗一步不退，日军进攻受阻便将主攻方向改向东面和背面，并成功攻占了东郊和北郊的全部阵地，仅有预10师的阵地仍然未被攻占，28团团长葛先才因战功而被国民革命军统帅部破格提升为“少将团长”。
元旦过后，日军攻势趋于猛烈，长沙形势吃紧，薛岳身边不少参谋人士均劝薛岳将指挥所搬至后防安全地带均被薛岳拒绝，薛岳坚持将指挥所设置在长沙城边的岳麓山就近督战，同时薛岳发布遗嘱电报“如战区司令长官殉职，则以副司令长官罗卓英代行其责”并严令第十军“固守长沙，不得退缩”。担任守城主力的预10师师长方先觉也给妻子准备好遗书，誓与长沙共存亡。1月2日，日军凭借强大的火力优势继续向长沙市区发动猛攻，中国守军按计划退守第二线阵地，其中以修械所一带的战斗最为激烈，日军是一支用“武士道精神”武装思想的部队，官兵训练有素、纪律严明，军事素质过硬，战斗意志坚强，对国民革命军阵地发起了以营为单位的集团式冲锋，将28团固守的冬瓜山阵地攻占，下午，第29团发起反攻，将阵地收复。原本位于第三线防御阵地的第30团主动出击支援二线友军发起了对日军的突袭。当日，第十军部队协同在白沙岭地区歼灭突入长沙市区的日军加藤大队并击毙大队长。国民革命军士兵从该名大队长身上搜得获得重要机密文件，大意为：“日军弹药匮乏，补给告急”，薛岳获得该情报后，兴奋地说：“有此情报，胜过千军万马”，于是薛岳根据战前部署和敌我双方态势开始部署后续对日军的围歼计划。
战争结果及影响
此次战役，中国方面战报：国民革命军伤亡28,116人，毙伤日军56,994人，俘虏139人另夺得大量物资，被认为是抗战以来正面战场军事上的重大胜利;日本方面战报：日军阵亡1591人，负伤4412人，击毙国民革命军28612人，俘虏国民革命军1065人，日方认为此役本属配合香港方向作战，然而损失却远远多于香港作战。另外由于此次战役恰逢日军偷袭珍珠港，盟军在太平洋战场节节败退，中华民国军队却在长沙取得了对日军作战的胜利，因而引起了当时世界媒体的广泛关注， 美国总统罗斯福称：“盟军的胜利，全赖华军长沙大捷”，英国媒体也用“在此远东阴云密布之际，唯有长沙上空之云彩确切、光辉夺目”的标题进行报道。
历史点评：第三次长沙会战，沉重地打击了日本帝国主义的嚣张气焰，鼓舞了中国人民抗战胜利的信心，提高了中国在世界反法西斯阵营的地位和影响。蒋介石曾称赞道：“此次长沙胜利，实为七七以来最确实而得意之作。”
专家解读三次长沙会战：薛岳为何将战场摆在长沙?
薛岳指挥的三次长沙保卫战，之所以把战场摆在长沙，是因为第九战区司令长官薛岳通晓地理。一直研究长沙地方史的专家陈先枢认为。
他说，薛岳的个性刚愎且坚毅，在用兵上，十分注重谋略。薛岳的记忆力惊人，在作战之前，必定关门闭户，凝神静气，贯注精神在地图上，因此，对于战场的一山一水，一丘一陵，他都了如指掌。每当战役开始，一旦他认定的事情，极少改变，看到机会，他就会以极大决心，命令部属冲锋陷阵，不惜决战牺牲。
就地理而言，长沙地区西临湘江，南高北低，尤其在长沙城北的东面和北面，浏阳河、捞刀河，像个口袋，袋口摆在长沙南面，北面是袋底。如果能将敌军赶到浏阳河、捞刀河谷，作为决战地，则可以聚而歼之。
当然，“口袋阵”是看多了演义小说的市民的俗称。薛岳在第三次长沙会战中，总结前两次保卫战的经验教训，所设定的阵法，是更具科学性的“天炉阵”。
薛岳自己说：“天炉战者，为在预定之作战地，构成纵深网形据点式阵地，配置必要的守备部队，以伏击、诱击、侧击、截击、尾击、堵击诸手段逐次消耗敌力，挫其锐气，然后于决战地使用优越的兵力，施行反击和反包围，予敌以歼灭打击。盖为后退决战方法，因敌之变化而变化之歼敌制胜新方略，如炉熔铁，又如炼丹，故名。”
薛岳在1941年12月第三次长沙会战爆发前，就已经定下了天炉战法，并且印成手册，发给高级干部，预先排兵布阵，12月中旬侵犯湘北、敌锋直指长沙城的敌军，不过像棋盘上被掌控的棋子。薛岳说，他已“选定新墙、汨罗二水间为伏击、诱击地带。捞刀、浏阳二河间，为决战地带。并令战时民众加紧犁田、蓄水、削路工作”。所以，当日寇第三次侵入湘北，进犯长沙，薛岳让守长沙的第十军像磁铁一样紧紧吸住日军，同时各路援军齐进，以优势兵力包围日军。
当然，1942年元旦攻打长沙的日军也察觉到中国军队的意图，他们努力投入主力，想以最快速度拿下长沙城，甚至已有队伍攻入长沙城内的坡子街、黄兴路。日军在长沙城南面的金盆岭、东瓜山、黄土岭、侯家塘等地，更投入优势兵力，想把我守城的第十军彻底摁入长沙城北的口袋中，但长沙守军顽强坚守。等到1942年1月4日，前来包围日军的中国援军在长沙城南雨花亭吹响冲锋号时，敌人听到背后雄壮的号音，如闻霹雳，纷纷逃窜，最后大多数日军落入浏阳河与捞刀河河谷、影珠山下，这无异于“自投天炉，予我以熔化之机”。第三次长沙会战最终取得歼灭敌军5.6万的伟大胜利。
第三次长沙会战胜利后，中外报纸记者争相报道此次会战，称，本次大捷是日本自明治维新以来遭到的巨大失败;三次长沙会战的意义，已经超过了台儿庄战役;我军不止是驱敌远去，更主动出击歼灭敌人。英国《每日电讯报》称：“际此远东阴霾密布中，惟长沙上空之云彩确见光辉夺目。”
蒋介石在1942年1月11日的日记中称：“此次长沙胜利，实为‘七七’以来最确实而得意之作。”
美国海军部长诺克斯发表《告中国人民书》称：“数周以来，贵国之长沙伟大之战绩，非仅为中国之胜利，抑且为所有同盟国共同之胜利，而为打击整个轴心之胜利。”
第三次长沙大捷后，美国宣布向中国提供5亿美元贷款，蒋介石被任命为中印缅战区盟军最高统帅，美英宣布废除对中国的不平等条约。此后近两年，中国战场几乎没有战事，直到1943年11月常德会战再起烽火。
