此时，第九战区辖有正规军三个集团军十三个军三十五个师，还有七个游击纵队、六个保安团，再加上四个野战炮兵营、一个重迫击炮团、两个战防炮营、一个工兵团和四个独立工兵营，总兵力三十七万八千余人。空军只有两个大队，海军只有能执行水道布雷任务的少量部队。
第九战区部队的守备位置是：由战区直辖的第九十九军，军长傅仲芳，辖第九十二、第九十九、第一九七师，驻守湘北，任汉寿、沅江、青山一带的湖防以及湘阴、营田、归义之间的汨罗江、湘江守备。第二十七集团军，总司令杨森，指挥部设在湘东北的平江，下辖：第四军，军长欧震，辖第五十九、第九十、第一o二师，守备湘北新墙河南岸阵地；第五十八军，军长孙渡，辖新编第十、新编第十一师，驻守湘鄂交界地带，守备黄岸市西至九岭、赛公桥，北至北港阵地；第二十军，军长杨汉域，辖第一三三、第一三四师，驻守鄂东南，守备通城北至铁柱港、斗米山北至杨芳林阵地。
第三十集团军，总司令王陵基，指挥部设在赣西北的修水，下辖：第七十二军，军长韩全朴，辖新编第十四、新编第十五师，驻守赣西北，守备东坑岭、留咀桥阵地，主力在修水以北的三都整训；第七十八军，军长夏首勋，辖新编第十三、新编第十六师，驻守赣西北的修水北岸，守备观音阁、潭埠阵地。第十九集团军，总司令罗卓英，指挥部设在赣西北的上高，下辖：新编第三军，军长杨宏光，辖第一八三师和新编第十二师，驻守赣西北，守备靖安、奉新、祥符观阵地；
第七十四军，军长王耀武，辖第五十一、第五十七、第五十八师以及预备第五师和江西保安纵队。其军主力集结于株洲至南昌铁路沿线的新喻、宜分地区；保安纵队守备南昌以南的七星冈、市汊街一线阵地；预备第五师守备市汉街至东南方向的温家圳阵地；第三十七军，军长陈沛，辖第六十、第九十五、第一四o师，集结在湘北汨罗江两岸的长乐街、瓮江铺、福临铺一线。 由军事委员会直辖的第二十六军，军长萧之楚，辖第三十二、第四十一、第四十四师，集结在平江至长沙之间的金井、浏阳一带；第十军，军长李玉堂，辖第三、第一九o师和预备第十师，集结在株洲以南湘江岸边的衡山。
第九战区司令长官部设在长沙。 薛岳认为，日军按照第一次长沙会战时的路线，对湘北实施进攻的可能性最大。薛岳制订的作战计划是：战区在赣北、鄂南，对非主攻方面之敌力求夹击于赣北山地。在湘北方面则诱敌主力于汨罗江以南金井、福临铺、三姐桥以北地区，反击而歼灭之。金井、福临铺、三姐桥以北地区，位于汨罗江与捞刀河之间。
薛岳获悉，日军此次作战兵力并不比第一次长沙会战时多，因此还是使用了第一次长沙会战时诱敌深入的战术。在没有战事的近两年间，薛岳已在第九战区防区内建立起一条坚固的防线：在战场的北面，利用新墙河、汨罗江、捞刀河、浏阳河等河流，修筑起大纵深的多层工事，以对日军实施节节对抗；在战场的东侧，利用幕阜山、连云山山地，挖掘出大量坚固的阵地，部署了机动部队，以在日军南进长沙时对其进行侧击。
在位于前沿的新墙河，薛岳把第四军和第三十七军配置在正面，把第五十八军配置在侧面幕阜山麓的丘陵地带，然后，彻底地破坏了这一区域内所有的道路。而沿着新墙河河岸，利用天然河流屏障，修建了六公里纵深的防御阵地，形成河岸阵地与村庄据点相配合的网状结构，阵地与据点之间都有交通壕相互连接。阵地上的工事则由砖石构成，火力配备周密，还布设了对河面的侧击火力。在河岸上，除了铁丝网外，还埋有大量地雷。从新墙河到汨罗江之间，重要的高地都筑有据点式阵地，利用丘陵和沟渠等天然地形呈五角形的碉堡星罗棋布。
薛岳把他建立的这条防线称为“伯陵防线”。薛岳，字伯陵。 第一次指挥大规模作战的阿南惟几，作战的心情实在是太迫切了，主力师团还在调动之时，他即命令守备岳阳地区的第六师团开始对大云山进行扫荡。 日军第六师团的作战任务是，把守备大云山的中国军队赶到新墙河南岸去，以掩护主力师团在新墙河北岸展开，为正式作战时强渡新墙河的行动开辟出较大的渡河空间，并保障战场后方的安全。
看上去简单的作战开局却并不顺利。九月七日晨，在空军的支援下，日军第六师团的第十三、第二十三、第四十五联队进入了大云山，向北侧的雁岭、詹家桥展开进攻。大云山茂密的树木，让突然闯入的日军瞬间便“被淹没在巨大的林海之中”，日军不得不费力找寻迷宫一般的羊肠小道，各个联队之间“彼此未能保持联系”。在遭到中国守军的阻击后，第二十三、第四十五联队向东南迂回，第十三联队向西进攻中国守军第一o二师阵地，该师在师长柏辉章的指挥下死缠硬打，阵地被日军突破后，双方在甘田附近再次陷入激战。入夜后，两军形成对峙。
此时，一份情报引起了中国军队的注意：鄂南咸宁地区的日军第四十师团正向湘北移动，据判断，很可能是要与第六师团换防。黄昏时分，杨森的第二十七集团军下达命令：第四军确保大云山，第五十八军派出部队协同第四军作战；第二十军从通城向西，侧击从咸宁南下湘北的日军。中国军队决定趁日军换防之时对其进行猛烈打击。
九月八日，驻守鄂南与湘北交界处的第五十八军新编第十师、新编第十一师之三十一团向大云山推进。应他们的请求，第九战区同意把集结在长乐街附近的第三十七军第六十师也拉上去参战。九日，日军第十三联队依旧被第一O二师阻击在甘田附近，但其第二十三、第四十五联队突破了中国守军的阵地。中国军队第五十九师一七七团堵截无效，直到师主力参战后，才把这个方向的日军阻击在了长安桥附近。