日本大本营制订的“一号作战”计划，主要核心部分是第二阶段的战役，其作战区域在湖南地区。负责这一阶段的是日军第11军。这个军是日本投放在中国战场上唯一的一支野战军，它下辖8个师团又1个旅团。为了保障有足够的兵力实现“一号作战”第二阶段的任务，日军大本营又从其他地区抽调过来两个步兵师团和4个旅团、战车第3联队、炮兵4个大队，使第11军的总兵力达到近20万人。这在日军历史上是绝无仅有的规模，一个军的编制，几乎达到方面军的数量。
日本大本营之所以加强第11军的力量配置，是有所考虑的。长沙位于湘水下游，在洞庭湖滨平地之南，处在粤汉铁路与京滇国道之交会点上。
湘赣、湘黔、湘桂铁路横贯其南，因地势低洼，历来不为兵家所重视。然而在中国持久抗战的战略中，湖南成为抗战粮食、兵源及工业资源的供给地，对中国抗战前途至关重要，成为中南地区的战略重镇。
另外，抗战以来，中国军队在这里已经同日军进行了三次大会战。从地理概貌上看，长江以北为滨湖冲积带，地势平坦，虽非擅战之地，但其东有幕府、万洋诸山，西倚雪峰山，对长沙成掎角之势，可实行截击、侧击；正面有新墙河、汨罗河、捞刀河、浏阳河，可实行持久抵抗，整个地形成天然囊形阵地。由此，中国军队根据地形特点，采取节节抵抗、消耗敌人，后退决战的战略。正是依据这样的战略，中国军队在前两次会战中与日军打了平手，保住了长沙。
1941年底，中日军队又在此进行第三次会战。第九战区司令长官薛岳，根据前两次会战的经验，制定了名为“天炉战法”的诱剿战略，致使日军伤亡56000多人，其骄人战绩使国际震惊。
薛岳的“天炉战法”是根据长沙地区的地形特点发明的，其主要特征是：在后退时破坏中间道路，实行坚壁清野；在伏击地区纵深配置兵力，将日军诱至长沙城下，以改变敌我力量的对比，最后从四面包围日军犹如天炉熔铁一般歼敌。这个战法实际上同八路军的诱敌深入，集中优势兵力，分割围歼很相似。在第三次长沙会战中，日本鬼子吃了大亏。
执行“一号作战”第二阶段的日军将领，是第11军司令官横山勇中将。他在进攻之前，反复研究过去三次长沙会战失败的原因。横山勇中将熟读兵书，善于总结战场经验。他从地图、沙盘模型的研究上，总结了薛岳将军的战略思想和作战特点，仔细分析了薛岳的个性和生活喜好，并在此基础上制定了对付“天炉战法”的作战方案。
横山勇中将不上薛岳的当，他将兵力分为两个梯队前后出击，波浪式交替攻击与推进，既保证了攻击的连续性，又保障了后勤补给的安全。前队即使深入进去，后队也可驰援，保持兵力不处于劣势，这样就可以侧击和夹击破坏交通线的中国军队。
让薛岳意想不到的是，狡猾的横山勇中将，在日军进攻部队的两翼，又部署有战斗力很强的精锐部队，这变成了专门对付薛岳纵深伏兵的杀手锏。这样一来，中国军队在两翼山岳丛林的机动兵团，便处在被夹击的状态中，丧失了外线机动兵团的作用，日军就可掌握战场的主动权。
经过横山勇精心策划部署，同僚们都佩服得五体投地。他狂妄地叫嚷着：“两翼夹击，波浪式推进，一定要砸碎薛岳的天炉！”日本大军在横山勇中将的率领下，分兵三路向第九战区进发了。左路军从崇阳县沿湘赣边境的山岳地带向南猛插；中路军从岳阳地区突破国民党第20军防线直扑长沙；右路军从洞庭湖水域向南进攻。各路大军都配备有强大的二线兵团。
蒋介石清醒了，他十分明白，日军在平汉线作战结束后，便会立即着手进行第二阶段的作战。湘桂作战首先是长沙、衡阳，其次是桂林、柳州，而长衡会战是日军作战的关键。于是，蒋介石也加紧向第九战区增兵。他希望薛岳能积三战之余威，在湖南战场扼制住日军的攻势。蒋介石和宋美龄在天主教堂，为长沙薛岳祈祷，愿上帝保佑长沙平安，最好能取得大捷，以雪中原之耻。
在第三战区、第四战区和第六战区的支持配合下，第九战区集结了国民党军的40万精锐部队。然而在兵力部署上，将领们却发生了分歧，以第九战区代理参谋长赵子立为首的一方认为，此次日军进攻规模空前，加上有三战长沙得失的教训，这次应该采取新的战法，不能再沿用过去的“天炉战法”了。
第九战区司令长官薛岳因取得三次长沙会战的胜利，在实战中他的“天炉战法”歼敌56000多日军，所以他很骄傲，没把横山勇这个鬼子军官放在眼里，显得十分轻敌。代理参谋长赵子立在一旁却看得很清楚。
薛岳一派的将领们认为，这次日军虽属于大兵团作战，但并不是像你们说得那么吓人，根本达不到什么“规模空前”。对敌人的这个判断，完全是被河南会战的失败吓倒了，不信你们等着瞧，看看小鬼子能把长沙怎么样？
赵子立他们以理据争，但是没有用，毕竟薛岳的“天炉战法”是经过战场检验的，是战胜日军的好战法。赵子立认为，正是因为这样，横山勇必定对此作了认真仔细的研究，很可能有了破解之法，否则这个老奸巨猾的横山勇不会这么胆大妄为。
薛岳听了代理参谋长赵子立的理论，哈哈大笑，他说能看懂“天炉战法”里的道道的人还没出生，即使看懂些眉目，也难去破解，这个战法本身就是一道无解的题。况且长沙地区有40万大军，日本军队的进攻，就是洪水猛兽，堵都把他们给堵死喽。古话说，兵来将挡，水来土掩，一定会将日军消灭在长沙城下。
蒋介石支持薛岳的会战方案，因此这次战役部署仍按照“天炉战法”
的计划进行。在日军大举进攻的第二天，蒋介石电令薛岳“以现有兵力，准备在长沙附近与南犯日军进行决战”。
薛岳在岳麓山指挥部向蒋总司令汇报说：“在这样的环境中作战，他日本鬼子纵有千变万化，也逃不脱‘天炉战法’的天罗地网。以长沙守军吸引日军主力，再以外围部队对之实行反包围，最后里应外合将日军消灭在长沙外围。”蒋介石大喜：“好样的，祝你旗开得胜！”
战场情况千变万化，日军没有薛岳想象得那么傻。5月29日，战场情况突变，国民党第20军在吸引中路日军朝通城、平江一带深入时，忽然发现自己的左侧有日军的左路军，他们正从后侧包抄过来。20军面临危机！
正在最困难的时候，日军右路军穿过湖泊障碍，在营田登陆，一时间汨罗江以北到处都是日军，原计划的中国外围守军反被日军分割包围。
薛岳傻眼了，他的作战部署顿时被横山勇将军全盘打乱，湘北战场的局面已经难以控制。蒋介石急忙电令第三战区、第六战区各抽调一个军参战，并训令第九战区将士：“此次作战，为国家存亡之关键，亦即我革命军人成功立业之时机，务望同心同德，上下一致，争取最后胜利。”
当湘桂战役处在水深火热之时，美国总统和滇缅战役总指挥史迪威，不断来电催促蒋介石下令进攻缅甸，他们对中国大陆的东线战场毫不为意，只顾自己的利益。美国总统罗斯福根本就不考虑中国当前的危难境地，如果中国远征军不入缅作战，就扣发租借物资。这大大刺伤了蒋介石的民族自尊心，但是实力弱小，他是敢怒不敢言。
蒋介石在日记中写下这样一段话：
国无实力，而借助于人之痛苦，竟如是耶！可不力图自强乎！……患难危急之来，唯有在己者可恃，而在人者尤其外援更不可靠也。若有丝毫依赖之心也不仅无补于事，而且成为他人之奴隶矣！此时徐求其在我，力图自强以外，绝无其他挽救之道。
蒋介石的指导思想，抗战至此已不需要“冒险犯难”，而是“耐得久的得胜”，一定要忍，而除了忍之外并无他法可以徐图自强。这是蒋介石的悲哀，他不像共产党人，更不如共产党人的领袖毛泽东。毛泽东在患难危急之时，具有坚定的中华民族气魄，独立自主，自强不息。
盟国的压力，河南会战的失利，湘桂作战前途未卜，蒋介石已经到了内外交困之际。正因为如此，他对滇西远征军的行动寄予厚望。他对远征军司令长官卫立煌发电报说：“此次渡江出击之胜负，实关乎我抗战全局之成败，国家存亡，主义成败，都在于此一举，务希吾弟奋力出征，完成使命。”
焦头烂额的蒋介石，不得不打起精神来对付长沙的情况。王耀武的第24集团军过去了，该部的先头部队第100军抵达益阳时，守军因伤亡过半而弃城退却了。第100军随即发起攻击，收复益阳。74军是当时中国军队的头号王牌，这支部队的第58师师长，是日后的军长张灵甫。他们坚守在宁乡，负责掩护长沙的侧背，师主力部署在沩水南岸，守备宁乡县城的是第173团和174团的一个营，还有师部击炮营的一个连。
在这里不得不说说国民党最有传奇色彩的张灵甫将军，他是个家喻户晓的人物。张灵甫出生在陕西长西一个普通的农民家庭中，1923年考入北京大学，后投笔从戎，考入黄埔军校第四期，与共产党的将领林彪是同学。他是一个性格冷峻的职业军人，因作战勇敢顽强，被胡宗南提升为中校团长。不久，张灵甫制造了一件轰动全国的新闻。他娶了漂亮的四川姑娘吴海兰为妻后，一直在外作战，当他听说有人在西安看见夫人和别人在看电影时，他二话没说，提着手枪回到西安，把夫人枪杀在自家的后花园，然后径直返回部队。在强大的社会压力下，蒋介石电令胡宗南将其押解南京。张灵甫是胡宗南的爱将，他给他一笔路费，让他自己去南京面见蒋介石。结果他一边走一边玩，钱花光了，就模仿恩师于右任的书法赚钱，半年后才到南京。他在监狱里自由自在，根本没受委屈，一年后被74军51师师长王耀武要了出来，参加了抗日战争。
谁都知道在解放战争时期，山东曾有一个孟良崮战役，电影《红日》说的就是这段故事。但人们却很少知道张灵甫在抗日战争中的表现。他之所以能荣升为蒋介石五大主力之首的74军军长，都是他在抗日战争中英勇奋战的结果。淞沪会战、南京保卫战、武汉保卫战、南昌会战、长沙三次会战、浙赣会战、现在的长衡会战，以及后来的湘西会战，他都参加了。
无论是在团长、旅长还是师长的职位上，他都负过伤，是一员有名的虎将。
张灵甫在宁乡县一带阻击着日军左路大军的进攻，第24集团军打得十分惨烈，他们硬是把日本左路军堵在益阳、宁乡外围，让小日本不能接近长沙。但是防守在右翼的第27集团军不行，他们被日本右路军打得一败涂地，致使浏阳失守。而中路军攻陷株洲，从南翼迂回到长沙。
薛岳这时致电蒋介石，请求增调部队，在长沙附近与敌人决战。如果委员长同意，把湘南的精锐朝北调，重新聚集兵力，他是有信心和决心同日军抗衡的。蒋介石当然不会同意他这个孤注一掷的决战建议的。这时的蒋委员长已决定不再“冒险犯难”，薛岳纵然有再绝妙的计划，无兵可用，只能眼睁睁地看着战事继续恶化。这个时候，薛岳不仅失望，还悔恨交加，他深深体会到骄兵必败这句金玉良言！
日本军队的中路军和右路军在横山勇中将的指挥下，主攻岳麓山。在日军进攻长沙的关键时刻，代理参谋长赵子立建议，必须派两个师的兵力防守岳麓山，因为这是长沙的制高点，其得失直接关系到整个长沙的安危，一旦岳麓山失守，长沙势必难保。
然而坚守长沙的第4军军长张德能不听，他要把全军主力放在长沙市区，只派一个90师去防守。赵子立虽是参谋长，但是管不了这个张德能。
一是他是第四战区司令张发奎的侄子，二是薛岳的命令。这个张德能军长骄横得要死。
日军用一个师团的兵力向岳麓山发起攻击，当天就夺取了东西两侧的虎形山和牛形山。当岳麓山岌岌可危时，张德能军长才意识到它的重要性，赶紧从市区抽调四个团渡湘江驰援。但是由于下达命令仓促，组织不力，渡河时秩序混乱，遭到日军火力侧击，渡河官兵死伤甚多。这个第4军军纪相当涣散，就像汤恩伯的部队在河南一样，得不到人民群众的拥护。渡江部队听说岳麓山失守，便全军溃逃，他们一口气跑到邵阳才停下来。
张德能的3万守军，在号称固若金汤的英雄之城长沙，只坚持了4个整天，就被日军攻陷了，这个事实令人难以置信。蒋介石对第4军擅自撤退大为恼火，他把张德能交军法审判。1944年8月25日，张德能被军委会以保卫长沙不力之罪名下令处决。
时任第四战区司令长官的张发奎，没有为侄儿求情。在侄儿被枪毙的第二天，他也以“作战不力”的同样罪名，枪毙了一名蒋介石嫡系部队的军长。但两人的较劲都是不动声色。蒋介石处在内外交困之际，只是骂了一句娘希匹，便没有了结果。
张德能在长沙是坚决执行薛岳的指示的，他没把参谋长赵子立放在眼里，只是因为他有后台靠山。至于长沙的失败，他只是一个替罪羊。总结长沙沦陷的原因无非有四点：一是薛岳及第九战区官兵轻敌，认为前三次都取得胜利，何况这回；二是薛岳故步自封，盲目信任自己的“天炉战法”可以无往而不胜；三是长沙兵力部署失当，参谋长指挥不了薛岳的嫡系军队；四是中日兵力对比处于劣势，无论是数量还是质量，日军均占优势。
长沙沦陷，蒋介石感到势态严重，以全国局势而论，大后方只剩川、康、云、贵，但需要同时应付东西两个战场。根据这样的形势，蒋介石与军令部全面调整部署：“国军以巩固重庆、昆明，确保抗战基地及国际交通线的目的，以第一线兵团占领前方要地，贯彻战略持久战，有力兵团先机控制六盘山、秦岭、巴山、鄂西、湘西、桂东、滇西各要隘，竭力加强整训，增筑工事，严防敌奸侵入，见机再转入攻势。”
蒋介石对长沙沦陷是事先就有所预见的。就在日军多路大军朝长沙开进的时候，蒋介石就命令方先觉的第10军专门固守衡阳，并特别指出第10军“不得用于长沙的会战”，这对于后来防止日军迅速占领衡阳起了重要作用。