十日，日军第四十师团果然与第六师团进行了换防。中国军队第五十八军趁机又掌控了大云山主峰。此时，向大云山增援的第三十七军第六十师抵达战场。第二十七集团军随即命令第六十师归第四军指挥，命令第五十九、第六十师与新编第十师合力围歼日军第十三联队。十一日，三个中国师的联合攻击开始，日军第十三联队因伤亡严重，只能困守待援。
日军第四十师团首先抵达的是先遣部队重松支队。重松支队由步兵第二三四联队联队长重松洁大佐指挥，该联队缺第二大队，但加强了第二三五联队的第三大队和一个山炮大队。支队出发时得到的情报是：“第六师团已经扫清了大云山的敌人，你们将不会遇到大量敌军。”但是，当重松支队接近被围困在甘田的第十三联队时，遭遇中国军队新编第十师的猛烈伏击。重松支队猝不及防，慌乱中急忙调整应战。
被包围在甘田的第六师团第十三联队趁机脱离了战场，第四十师团的重松支队却成为中国军队围歼的对象。十二日晚，重松支队被迫兵分两路突围。其中的一路由第二三五联队第三大队的后藤寿文少佐指挥，日军拼了一夜的手榴弹，才占领了一个小高地；另一路是支队主力，则完全陷入中国军队第五十八军的围攻。
重松支队苦战之时，第四十师团主力也遭到中国军队的攻击。由于事先得到的情报依旧是第六师团已把中国守军赶走，于是第四十师团命令步兵第二三六联队，在联队长龟川良夫大佐的指挥下，向预定地域推进。十三日上午，龟川联队涉渡白羊田河时，突然受到猛烈射击。龟川良夫立即命令第一、第二大队并列反击。但是，中国军队第五十八军的突击部队已从日军两个大队之间的空隙突了进来，直逼第二三六联队的侧后，甚至逼近了日军的联队部。第四十师团没有料到会出现这样的情形，急忙命令第二三五联队参加战斗。日军的第二三五、第二三六联队，在东西不足三公里的狭窄范围内，与中国军队混战成一团。
十五日，阿南惟几终于明白，扫荡大云山并不容易，第六师团刚刚脱离麻烦，第四十师团又陷了进去，如果不另派部队前往解救，第四十师团就有可能遭遇厄运。晚上，第十一军司令部命令第三十三师团的荒木支队前往解救第四十师团。荒木支队搭乘汽车，于十六日半夜赶赴大云山。但是，当他们抵达甘田东侧时，遭到中国军队新编第十一师的打击。日军只能采取挖掘战壕的方式，一寸寸地向重松支队靠近。直到十八日凌晨，才推进到后藤大队苦战的位置。同时，被困的重松支队终于攻占了中国守军的一个包围支撑点。
这时候，日军四个师团以上的兵力已在新墙河北岸集结完毕。中国第九战区司令长官部命令第二十七集团军主力向新墙河南岸转移备战。大云山作战结束。 九月十七日，日军主力抵达新墙河北岸的出击位置，其阵型是主力师团居中，支队部署在两翼，所有部队一字排开，并列于出击第一线：第四师团在三港嘴附近，第三师团在筻口附近，第六师团在草鞋岭附近，第四十师团在马家桥附近，独立混成第二十六旅团的早渊支队在青冈附近，第三十三师团的荒木支队在甘田附近。只有独立混成第十四旅团的平野大队在战场的最西侧，从岳阳南下洞庭湖，然后沿湘江继续南下，准备于侧翼掩护正面的进攻。
此时，参加大云山作战的中国军队第五十九、第-O二、第六十师还在仓促回撤新墙河南岸阵地中；新编第十师、新编第十一师还在甘田附近与日军第四十师团一部对峙；第二十军主力也尚在向指定防御阵地推进中。以上部队直到十八日拂晓，才全部进入新墙河南岸阵地。中国官兵们刚刚进入战壕，日军的炮弹就飞了过来。十八日拂晓，日军第十一军的“长沙作战”开始了。
中国方面称之为“第二次长沙会战”。凌晨四时，新墙河北岸，日军三百二十二门火炮一起发射。炮火轰击持续一个小时后，战机加入攻击行列。新墙河南岸，中国守军阵地工事坍塌，土石飞溅。接着，日军四个主力师团齐头并进，开始了强渡新墙河的突击作战。中国第四军防守的新墙河一线各处阵地，同时遭到日军火炮和战机的凶猛打击。 前沿的第一o二、第六十、第五十九师拼死应战，仍无法抵挡住日军强大的火力突击和优势兵力的集团冲锋。
上午九时，鉴于前沿阵地的全面瓦解，第二十七集团军总司令杨森命令第四军向二线阵地撤退；同时命令第五十八军向杨林街出击侧击日军，命令第二十军第一三四师归第五十八军指挥。第四军在撤退中发生混乱，军长欧震努力控制部队，希望在二线阵地站稳脚跟，但是日军很快就扑了上来。下午四时，第九十师的长湖、白羊冲阵地被日军突破，第一o二师刚刚占领的二线阵地也被日军席卷。 中国军队失去新墙河一线和二线阵地后，欧震军长不得不命令部队向东面的山区转移。随着第四军撤退的脚步，日军直扑汨罗江边。
为加强湘北主战场的力量，十八日晚，第九战区命令位于修水附近的第七十二军西进，并指挥暂编第五十四师，准备担任反击作战任务；命令第二十军进至王安屋、朱公桥方向，协助第五十八军和第四军侧击南下的日军。十九日凌晨，第二十军由桃树港向朱公桥急促推进。黄昏时分，第一三四师抵达指定位置，第一三三师也抵达枫树桥，军司令部抵达饶村。第五十八军军长孙渡命令新编第十一师到指定位置待命，新编第十师继续在朱公桥附近阻击当面日军。日军第四十师团不断地向中国军队第五十九、第六十、第九十师阵地攻击，双方激战一天，重松支队第三大队大队长古山常磐少佐被击毙。
十九日傍晚，日军第四、第三和第六师团分别抵达汨罗江北岸的石头铺、长乐街一线。第六师团一部甚至已经从磨刀石附近渡江，与南岸中国守军第三十七军在颜家铺、浯口一带接战。防御泪罗江南岸的中国军队力量单薄，只有第三十七军四个团编制的第九十五、第一四o师以及第九十九军三个团编制的第九十二、第九十九师。但是，薛岳还是按照原定方案，决定在汨罗江两岸与日军决战。
其部署是：第三十七军和第二十六军沿汨罗江一字摆开，从平江以西一直到湘江岸边，全线固守正面阵地，利用汨罗江天险拼死阻击；同时调动战场上的两翼部队，对日军实施夹击。为支援步兵作战，薛岳把战区直属炮兵旅拉到了泪罗江南岸。薛岳这种死拼硬打的方案，在第九战区司令长官部内引发分歧。有人认为，现在与日军决战的兵力不够，须等王耀武的第七十四军和李玉堂的第十军上来。目前只能节节抵抗以争取时间。 但是，薛岳没有接受这一建议。十九日，第九战区发布了作战命令。