十八日，新墙河北岸的日军炮兵向南岸的中国守军阵地进行了数次试射；第六、第四十师团的小股部队也对中国守军的阵地进行了试探性攻击。一切迹象表明，日军进攻在即。二十日，重庆军事委员会电令欧震的第四军从广东返回湖南，王耀武的第七十四军由广西向湖南移动。
十二月十四日，日军第十一军开始向岳阳附近集结。二十三日，阿南惟几下达作战命令。薛岳的“天炉”已经在等着阿南惟几了。中国第九战区位于新墙河最前沿的部队，是第二十七集团军的第二十军。薛岳把杨森的川军放在第一线颇有用意。杨森的部队出川抗战后，无论是淞沪会战、武汉会战，还是长沙会战，川军在中国军队里算得上是打得不错的。更重要的是，川军有家族军队的传统，现任第二十军军长杨汉域，就是杨森的侄子，一家子合伙打仗自然不会含糊。
从日军的作战计划看，在进攻的第一阶段中，无论是第六师团还是第四十师团，其攻击重点都在中国军队第二十军所在方向，可见日军一开始就想把杨汉域的第二十军先吃掉。即使第二十军全军奋力血战，薛岳要求其三个师抵挡住日军三个师团十天的进攻，着实有点蛮横。
第二十军第一三四师的右翼阵地突出于新墙河以北，因此日军第四十师团必须把这部中国军队赶走，才能靠近新墙河的渡河出发地。二十三日凌晨，日军第四十师团步兵第二三四、第二三五联队，向新墙河北岸的中国守军第一三四师四 00 团发动了攻击，四 00 团抵抗一天后退守新墙河南岸。二十四日，日军第六师团和第四十师团全部进入新墙河北岸阵地。
随着日军火炮的猛烈轰击，右翼的第四十师团率先向新墙河中国守军发动了攻击。日军在徒涉新墙河时遭到第一三四师的猛烈阻击，战至下午二时，日军突破了第一三四师的一线防御阵地。杨森命令集结在战场东侧的新编第十一师从黄崖市向杨林街推进，自东向西攻击，协助第二十军的作战；同时命令第七挺进纵队负责防御大云山、方山洞和八百市一线，第一三四师在方山洞的部队迅速向主力靠近，以便构成新的阻击线。
晚上，雨雪下得更大了。日军第六师团向新墙河南岸中国守军第一三三师阵地发动了攻击，然后冒着中国守军的猛烈射击在黑暗中强渡新墙河。午夜，日军突破了第一三三师的阻击阵地，第一三三师主力向南撤退。二十五日清晨，日军第三师团步兵第二十九旅团所属部队，在旅团长石川忠夫的指挥下，跟在第六师团的后面渡过新墙河，从战场的左翼方向沿着粤汉铁路两侧迅速南下。
中国守军的新墙河一线阵地，仅守了一天便被日军全线突破。此时，日军三路并进追击撤退中的第二十军 。混战持续到天黑，第二十军军长杨汉域与各师的联络都中断了，仅知道部队在混战中伤亡惨重。第一三三师同时受到日军两个师团的联合攻击，部队被打乱，形成了官兵各自为战的据点守卫战。
在中国官兵死战之时，日军主力从各阵地间的缝隙迅速向南突击，在大荆街附近日军受到第一三三师三九七团三营的伏击。与此同时，日军第四十师团一部也与中国军队第一三四师在观德冲、十步桥等地展开了激战。特别是在对第二十军指挥部所在地关王桥的进攻中，日军遭到中国守军的顽强抗击。应该说，在战场第一线阻击的第二十军已经拼尽了全力。
由于部队伤亡过大，杨汉域决定逐步撤出战场，按照原定计划转移。但是，二十六日天一亮，日军再次发起强攻，继续向第二十军压来。第六师团攻击第一三三师的羊角岭、三江口阵地；第四十师团在关王桥附近与第一三四师激战。下午，羊角岭和关王桥阵地丢失，日军继续向南冲击。为遏制日军的南下速度，杨森命令第五十八军的两个师迂回到两侧夹击日军。黄昏时分，关王桥以南的陈家桥等阵地被日军突破。
至此，中国军队第二十军在新墙河两岸与日军打了三天。尽管距离薛岳要求的阻击十天的限定相差还远，但这支川军部队作战不屈不挠，应该视为完成了预定任务。二十六日晚，日军第三、第六师团前锋推进至汨罗江北岸附近，第四十师团前锋也突至汨罗江北岸渡口长乐街。
这时候，传来了日军占领香港的消息。中国派遣军司令部之所以批准第十一军的此次作战，只是为了牵制中国第九战区部队南下增援香港。现在香港已被攻占，第十一军的作战已经没有什么意义了。但是，阿南惟几不这么想。他不但没有停止进攻，且于二十六日命令部队继续南进，把攻击矛头指向了防御汨罗江的中国军队第三十七军。汨罗江有三个主要渡口，其中的长乐街渡口和新市渡口位于岳阳至长沙的公路上；西侧的归义渡口在粤汉铁路桥旁边。这三个渡口控制着岳阳至长沙间的三条平行道路，因此是日军向南攻击的重点。
第九战区防守汨罗江沿线的部队，是陈沛的第三十七军和傅仲芳的第九十九军的两个师。 中国军队第三十七军算不上是有名的部队，阿南惟几之所以用两个师团的兵力瞄准该军，原因是该军参加了前两次的长沙作战，至少在这个方向上是日军的老冤家。与防守新墙河的川军第二十军不一样，第三十七军是一支湖南本土部队。抗战爆发后，该军参加了长江一带的数次会战，每一次都因伤亡惨重不得不重新补充。南昌会战后，关麟征被免去军长职务，陈沛继任，现任的三名师长分别为：第六十师师长董煜、第九十五师师长罗奇和第一四 O 师师长李棠。
二十七日上午八时，日军第六师团先头部队向汨罗江边的中国军队第九十五师阵地发动攻击，被二八三团击退。下午三时，日军第四十师团先头部队向第六十师防守的长乐街一线发起攻击，被一七九团击退。但是，在日军第三师团的进攻方向上，中国守军第九十九师的阵地被突破，中午十二时左右日军开始强渡汨罗江。 二十八日，日军第三师团全部渡过汨罗江，继续迅速南下，但中国军队第九十九师边撤边打，仍在不断杀伤日军。晚上，双方对峙于粤汉铁路东侧的落马桥、大娘桥、神鼎山一线。