早渊支队得到了航空兵的支援，猛烈的空中打击令第九十八师伤亡惨重，阵地很快被日军突破。早渊支队迅速强渡浏阳河，于当天下午二时二十五分冲进长沙城。早渊支队单刀直入冲入长沙城，长沙城内的市民还未及外出避难，而从北向南败退的第九战区部队也在涌入长沙城 。
二十八日，第七十九军暂编第六师抵达岳麓山。薛岳命令该师渡过湘江进入市区，把早渊支队赶出城去。暂编第六师在师长赵季平的率领下，强渡湘江攻入长沙城，与早渊支队展开巷战。巷战持续之时，日军第三、第四、第六和第四十师团全部抵达长沙外围。更严重的是，日军第三师团一部渡过浏阳河后，绕过长沙，继续向南直接冲向了株洲。二十九日九时三十分，日军第三师团步兵第三十四联队第三大队冲入株洲城。
同一天，日军第四师团主力进入长沙城，在长沙体育场举行了军旗奉拜仪式。此时，从四川温江机场起飞的九架中国空军战斗机飞临长沙上空，在城北向日军山炮第十九联队的阵地俯冲扫射，并投掷了三十多枚炸弹。日军在中国战场上首次受到美国人的攻击---“这是美国支援的陈纳德志愿飞行团的第一次出击。”
十月一日，日军第十一军司令官阿南惟几陷入了一个欣喜与苦恼相互交织的矛盾境地。欣喜的是，他上任军司令官以后，第一次指挥大规模作战就取得了重大战果：第十一军不但攻占了长沙，甚至攻到了株洲，连中国军队精锐的第七十四军也被他打得七零八落。苦恼的是，按照作战计划，第十一军的任务已经完成了，必须迅速回撤至出发地。放弃付出巨大代价占领的长沙和殊洲，这令阿南惟几心有不甘，但他知道大本营不会同意第十一军长期占领长沙，第十一军的兵力也不允许他这样做。可是，如果按照原路回撤，不可避免地要与中国军队的围追堵截作战----尾随上来的中国军队已经抵达长沙城外围。
而就在这时，一个令阿南惟几的所有欣喜顿时烟消云散的消息传来了：在距长沙上千公里的湖北宜昌，据守在那里的第十三师团突然遭受中国第五战区部队的大规模围攻，局面已经岌岌可危。一旦宜昌丢了，不但长沙作战会转瞬失色，他本人还很有可能受到大本营的严厉处分。所以，必须迅速带领部队返回，并且设法援教宜昌。
十月一日，日军第十一军下达了返回命令：第四十师团先行，第三、第四和第六师团并列。其中，第四十师团和第六师团在右，经永安市一麻峰咀一长乐街路线北返；第四师团在左，沿长沙- 湘阴-线北返；第三师团居中。 为策应阿南惟儿的第十一军北返，日军华北方面军发动了强渡黄河的作战，以吸引和牵制平汉路南段的中国军队，避免这个方向的中国军队加入追击围歼第十一军的作战。只是，日军华北方面军无论如何也没想到，他们这次钳制性的出击作战，竟然一下子把中原地区最重要的城市郑州攻占了。
当时驻扎在郑州两翼据守黄河河防的中国军队是：东侧从花园口、中牟、尉氏、扶沟、西华，一直延伸至商水周家口一线，为第三集团军第十二军的防地。第三集团军总司令孙桐萱，同时还兼任第十二军军长。第十二军的防区从黄河岸边的花园口起，弯弯曲曲地由北向南，足有两百公里之长。郑州的西侧是孙蔚如的第四集团军。两个集团军同属卫立煌的第一战区指挥。沿黄河与中国军队对峙的日军主力，是华北方面军的第十二军第三十五师团，师团长原田熊吉中将。
一九四一年十月三日夜，日军第十一军各师团开始从长沙北返，日军第三十五师团配备着骑兵、炮兵、坦克兵和航空兵向郑州河防发动了攻击。日军主力的突击方向之一是中牟的黄泛区。 凌晨三时，日军突然增大兵力强渡，在火炮和坦克的配合下分三路大举向南进攻。中国河防部队寡不敌众，伤亡惨重，黄河河防被日军突破。
尽管孙桐萱立即部署防御，但天亮后，大批日军战机对郑州市区以及附近的中国守军阵地实施了猛烈轰炸，日军步兵同时开始了一轮接一轮的地面进攻。 郑州附近是平原地带，日军机械化部队横冲直撞，中国守军武器低劣，根本无法阻挡日军的推进。很快，日军靠近了郑州。孙桐萱决定放弃郑州。
此时，战场附近突然出现了汤恩伯的部队。汤恩伯在孙桐萱部队的阵地附近布防，并声称丢了郑州的孙桐萱部如果再后撤，就要把他们全部消灭。汤恩伯还扣留了战区运送来的物资，甚至还扣留了押运弹药的第三集团军的军官。孙桐萱盛怒之下，命令部队去打欺人太甚的汤恩伯部，被部下劝阻后，他只有向战区司令长官卫立煌告状。
可是，孙桐萱是西北军出身的杂牌军，哪里能与中央军嫡系部队讲道理？一肚子委屈的孙桐萱派人带上他的亲笔信去重庆，请教他的老上司冯玉祥该怎么办。冯玉祥给孙桐萱写了回信：“当前的出路只有一条，就是整饬部队。爱护民众，努力抗日。只要为抗日死，即使全军覆灭，第三集团军也能万古流芳。孙桐萱能战死抗日沙场，做一个抗日民族英雄，是可以含笑九泉的。”
无论如何，日军第三十五师团仅用了不到三天时间，便占领了中原地区最重要的城市、平汉铁路上的交通枢纽郑州，这足以说明中国军队的黄河河防形同虚设。 为防止中国军队反击，日军的第一件事就是构筑街垒和碉堡。 就郑州作战而言，日军的最大收获是在黄河南岸平汉路西侧的霸王城附近建立起一个桥头堡阵地，由第二一九联队的两个步兵大队和一个炮兵大队驻守。这一桥头堡阵地，为后来日军打通南北大动脉的攻势作战，提供了至关重要的支撑。
此时，在南面的湖北战场上，阿南惟几获悉了日军第三十五师团从郑州撤退时遭到猛烈追击的消息，这让他越发感到阵前撤退的巨大危险。同时，宜昌方向的第十三师团的告急电报不断传来。阿南惟几这才意识到，最大的危险不仅是阵前撤退，还有当他贸然攻击长沙时把宜昌丢了。日军第十一军进攻长沙期间，按照重庆军事委员会的电令，为配合第九战区作战，中国军队第三、第五和第六战区分别向当面日军发动了范围广泛的袭扰。