三十日，薛岳向蒋介石报告了第九战区将与进攻长沙的日军决战的部署。蒋介石回电表示同意，他提醒薛岳不要让日军在攻击长沙前就与围歼部队接触，也不要过早地使用战区的预备部队，一定要让日军先攻长沙，等攻不下来受到严重消耗后，再命令围歼部队出击。 薛岳规定一九四二年一月一日夜为总攻开始时间，限定各集团军在攻击发起后到达第一攻击线的最后限期为四日。
就在中国第九战区部队按照作战部署开始移动的时候，日军进攻了。 日军第三师团开始急促地向南突进。丰岛房太郎很快就会尝到“争功”的恶果。冬日晴好，积雪融化，长沙城清晰可见。就薛岳的“天炉”计划而言，第十军是否能够守住长沙，是关键所在。如果在合围部队抵达预定位置前，长沙作为“炉底”先漏了，薛岳的计划将全盘泡汤。
第十军进入长沙前，军长李玉堂已拟定了防御计划：朱岳的第一九O 师固守长沙正北，周庆祥的第三师衔接第一九 O 师阵地向东，负责浏阳门和城外大十字路一线的阵地；方先觉的预备第十师衔接在第三师的右翼，负责防守长沙东南经南门外修械所到湘江边一线阵地。三十日，李玉堂军长发布保卫长沙的作战命令。
一九四二年一月一日上午十一时左右，日军第三师团与中国守军预备第十师的战斗正式开始。预备第十师的中国官兵与有飞机和火炮支援的日军激战到十六时，阿弥岭阵地被摧毁，守军大半阵亡，预备第十师退守半边山、左家塘一线阵地继续抵抗。十七时，日军扑向左家塘阵地，中国守军二十九团一营包括营长曹建业在内伤亡殆尽，阵地再次丢失。日军第三师团一部趁机从预备第十师和第一九 O 师阵地的接合部穿插而入，绕到了预备第十师阵地的左侧后。师长方先觉迅速缩短阵地，将阵地左侧放弃，转而据守金盆岭、黄土岭一线阵地。
十八时，日军突破了中国守军第三师的警戒阵地，渗透到白沙岭的民房里，企图夺取天心阁制高点。在军长李玉堂的严令下，第一九 O 师对左家塘实施反击，收复了这个据点后，派出部队围攻白沙岭民房里的日军。日军的冲击轮番不止，防守长沙南门外阵地的三十团团长葛先才，拒绝了方先觉让他的团撤到城墙上的命令，他认为以攻代守定可挫敌锐气，即使死了也值得。
葛先才的三十团官兵在凄厉的军号声中向当面日军猛扑过去，连临时上阵地送饭的五名炊事兵也跟随部队一起冲锋。长沙南门外的日军猝不及防，顿时大乱。在岳麓山指挥所里的薛岳，听闻葛先才团的勇猛出击，大加赞赏。当晚，第九战区得到蒋介石的命令：葛先才团长晋升少将，师长方先觉获青天白日勋章一枚。
此时，日军第十一军的情报部门又一次破译了薛岳令各集团军向长沙附近集结并准备围歼日军的电报。电报令阿南惟几万分焦灼，他必须在中国军队的合围尚未形成之前把长沙拿下来。阿南惟几急令第三师团加紧对长沙的攻击。从二日凌晨开始，交战双方在长沙东门和南门外地区展开了激烈的争夺战和肉搏战，中国守军的阵地数次被日军攻占，但大部分又被反击收复。
二十八团向渗透到白沙岭民房里的日军加藤大队持续攻击，素以夜战闻名的加藤大队陷入绝望之中。凌晨二时，加藤大队长被子弹击穿腹部；紧接着，副官桥本光义和军曹川口定秀也被打死。 第三师团命令一定要把加藤的尸体夺回来，于是日军发动了一次又一次的攻击，但都没有奏效。----日军坚持夺回加藤尸体的一个重要原因是，他身上有一份第三师团出动以来的作战计划和命令，这份文件上还记载有第三师团出发时所携带的弹药数字，这一数字将表明目前的第三师团已严重弹药不足坚持不了多久了。
这份文件已落在薛岳手中。虽仅一张薄纸，却比万挺机枪还重。 二日天亮之后，日军第三师团向金盆岭、黄土岭继续猛攻，在金盆岭防守的中国军队预备第十师二十九团二营与指挥部的联络中断，师长方先觉不得不集中起全师的火炮向金盆岭阵地实施毁灭性轰击，二营残存的官兵在炮火中与冲上来的日军同归于尽。下午，日军在南门受挫后，把攻击重点移到了东门附近，猛攻第一九 O 师防守的四方塘、南元宫等阵地。阵地在残酷的手榴弹战和白刃战中反复易手，但日军始终没能实现完全突破。
预备第十师师长方先觉注定要一战成名。奉命坚守长沙后，薛岳曾问方师长能守几天，方先觉说他的第一线能守两天，第二线能守三天，第三线再守两天，保证一个星期内不让日军攻入长沙。预备第十师的军官们听了师长的保证都很吃惊，说能守上三天就不错了。 方师长颁布了严格的军令：连重伤员在内，谁也不准后退，执法队可对擅自脱离战场者立即开枪；军官更是不得离开阵地，擅自离开者就地枪决。
方师长执行军令绝对不含糊：二十八团有名营长在战斗激烈时出现在了师部，说是来向师长请示作战的，方先觉看了他一眼让他到门外等着，然后命令副师长将这名营长推到城墙下枪毙了。经过两天的激战，日军第三师团精疲力竭，伤亡惨重，由于后方交通被切断，补充困难，弹药即将告罄。此时，中国军队第四军已经到达株洲。第十九、第二十七、第三十集团军按照薛岳的部署正向长沙合围而来。
日军第十一军司令部里“充满了忧虑之色”。傍晚时分，军司令部命令第六师团：“应以主力进入第三师团的右翼，攻击长沙东侧和北侧。”在投入第六师团的同时，阿南惟几命令第四十师团推进到捞刀河北岸的春华山一线，特别要向东部的山区警戒，以保障攻打长沙的两个师团的后方安全。阿南惟几已经意识到此战可能结局不妙。