十日，大雨依旧。为避免陷于被动，重庆军事委员会电令第六战区停止攻击。十一日，还是大雨。日军第三十九师团主力抵达宜昌。中国军队第六战区部队已经撤离。日军增援部队给阿南惟几发出的电报是：“错过攻击时机，实感抱歉。”宜昌作战结束了。中国军队付出了巨大伤亡代价，但最终功亏一篑。只是，日军更加深刻地体会到：战争进行到此，已不是日军随意主宰战场的时候了。
正如阿南惟几担忧的那样，从长沙北返的日军沿途遭受了严重损失。在猛烈追击、侧击和堵截日军的严令下，中国军队对回撒的日军展开了多路攻击。第七十九军第九十八师背对湘江，日军第四师团为打开回撒的通道，向该师据守的鹤羊山阵地猛攻，中国官兵誓死不退。连长余应勇阵亡后，继任的两位连长也相继牺牲。两军肉搏在一起，小山上血肉横飞，仗一直打到阵地上只剩下十五名中国士兵。
十五名士兵在副师长的带领下，与守湘阴的第九十九师取得了联系，迂回到日军第四师团的背后猛冲猛打，打死了日军第一一六联队第一大队大队长川崎进和第二大队大队长横泽三郎。五日，第四师团主力抵达汨罗江南岸，配属其指挥的早渊支队因紧急增援宜昌，由营田乘船急速北返。
湘阴城是日军回撤的必经之地，日军的军需物资以及伤员都要通过这里北运。守城官兵是中国军队第九十九军第九十九师二九五团一营。 正是宜昌危急的时刻，为了尽快回撤增援宜昌，第十一军命令平野支队尽快攻下湘阴，打开北返的通道。日军投入了千人以上的兵力，并空投了伞兵对湘阴城形成合围。一营官兵四百余人抵挡日军达五天之久，血战到最后一刻全营伤亡殆尽，营长曹克人和另外十八名官兵因负伤被俘。 四日，荒木支队赶到，日军进占湘阴城。
第六师团在捞刀河以北的福临铺遭遇中国军队阻击，五日傍晚抵达汨罗江北岸。第三师团在枫林港以北，遭遇中国军队第九十九师主力以及第九十二师一部的阻击，双方的交战一度陷于胶着状态。第三师团全力突击，才得以摆脱第九十九师的纠缠。然而，第九十九师后退了，第九十二师主力又围上来了，炮火的轰击十分猛烈。
由于第三师团被限期回撤，因此只有改变回撒路线，一面阻击中国军队的攻击，一面向右翼的第六师团靠拢。第四十师团十月一日夜开始回撒，在金井附近遭遇中国军队第二十军的攻击，师团拖带的一千二百名伤员被滞留在该地，师团主力不得不一边与中国军队作战，一边掩护兵站输送队转运伤员，直至七日晚才抵达汨罗江北岸。
第二次长沙会战，日方统计的数据是：中国军队遗弃尸体五万四千具，俘虏四千三百人；日军战死一千六百七十人，负伤五千一百八十四人。这个统计显然严重夸大了中国方面的损失，缩小了日军的伤亡。但从中国方面的相关史料看，参战各部队的损失接近百分之五十。
日军发动此次作战，显得盲目而轻率，作战期间差点把宜昌丢了便是例证。中国方面大力宣扬“第二次长沙大捷”，以此鼓舞士气和民心，提高中国抗战的国际形象，从政治角度看可以理解。在这次会战中，在重庆军事委员会的指导下，各战区都做了战略和战役协同，特别是第六战区对宜昌的进攻颇有声势。这种协同在以前的诸次会战中是很少见的，由此显示出中国军队在作战全局意识上的某种进步。
第二次长沙会战后，第二十七集团军总司令杨森的作战检讨是：中国方面对敌情的判断过于主观；友军之间依旧彼此不信任，导致缺乏必要的协同；部队运动往往因迟缓而贻误战机。至于中国军队的素质低下和军纪涣散，虽然是老问题，但杨森的实话实说还是令人吃惊。
第二次长沙会战后，成为全国舆论焦点的事件，是蒋介石下令以“临阵脱逃”的罪名，处决了第七十四军第五十八师师长廖龄奇。廖龄奇和他的副师长张灵甫同为黄埔军校第四期毕业，两人都以能征善战闻名。特别是廖龄奇操一口流利的英语，这在中国军队带兵打仗的师长中实不多见。但也许正因为才高过人，加上国民党军中复杂的派系，廖龄奇与陈诚、白崇禧、薛岳，甚至与军长王耀武，都存在着严重的隔阂。
此次长沙作战，第七十四军因被薛岳放在了抵御日军进攻的正面，全军陷入苦战，而第五十八师师长廖龄奇因战前请假去江西吉安结婚，顺便转道回老家湖南祁阳省亲去了。长沙丢失，自然要追究责任，薛岳提出了应该受到处分的将领名单，包括第二十六军军长萧之楚、第三十七军军长陈沛和第十军军长李玉堂。
蒋介石没有采纳薛岳的名单，因为他知道第三十七军和第十军在作战中还是卖力的。特别是，萧之楚在庐山军官训练团时，曾与薛岳分任第一、第二营营长，两人积下过旧怨，这一点蒋介石心知肚明。而当薛岳提出廖龄奇时，立即得到了陈诚和白崇禧的支持。廖龄奇虽是黄埔出身，属蒋介石嫡系派别，且在以往的历次会战中无一不是率部坚守战场，但这一次，蒋介石不但没有反对，反而赞同了薛岳的意见 。在幕僚们多方奔走说情未果的情况下，十月二十二日，廖龄奇被押解刑场执行了枪决。
事实上，廖龄奇得知部队开往湘北战场后，曾从湖南祁阳乘车赶回，指挥部队阻击南渡汨罗江的日军，直到部队从汨罗江北岸撤退后，他安置好因伤亡严重亟待整理的部队，才又返回老家去了。廖龄奇的被处决，引起了国内和军内舆论大哗，愤愤不平的第五十八师官兵差点哗变。但是，这位年仅三十六岁的师长的命运，很快就被动荡的历史湮没了。
一九四一年，国际环境剧烈地动荡和变化着。这种动荡和变化波及亚洲。突然，一个令世界目瞪口呆的消息传来了。在浩瀚的太平洋上，日本海军突袭了美国海军太平洋舰队。