在第六师团的撤退方向上，中国军队第三十七军已经追到粟桥附近并开始侧击。前面有中国军队第二十军和第五十八军挡路，第四军和第二十六军已经追至麻林市，日军第六师团再次陷入重围。日军的一个支队企图从新市方向接应第六师团，遭到中国军队第九十九军的阻击。第六师团又折向东面的杨家湾方向寻找突围机会，但中国军队第三十六军正向杨家湾截击而来。
日军第六师团原定的撤退路线已经全被打乱，师团长神田正种不断收到军司令部要求他改变路线的命令，空中的飞行员也不断地报告中国军队合围他的位置。 第六师团的师团部也陷入危机。尽管负责保护师团部的直属步兵第二十三联队第二大队拼死抵抗，但依旧挡不住中国军队潮水般的攻击。 此时，南下接应撤退部队的日军独立混成第九旅团抵达珠影山下。旅团长池上贤吉决心攻克珠影山，把被包围的第六师团营救出来。为此，他临时组成了一支由山崎茂大尉指挥的突击部队，携带手枪、战刀和轻机枪，于九日凌晨偷袭了珠影山上的中国守军第五十八军新编第十师的指挥所。
珠影山制高点的丢失使得杨汉域的第二十军形势严峻：日军第三师团为解救第六师团，一支三千人的部队已闯到了第二十军的阵地前，而山崎大队在珠影山上居高临下，三面受敌的第二十军侧后受到严重威胁。杨汉域当机立断，决定军直属的骑兵连、特务连、工兵连，加上第一三四师一部，向山崎大队发动进攻，把珠影山夺回来。天亮了，双方在山上混战，山崎大队渐渐不支。山崎大队长遭到迫击炮的轰击而死亡。
十日，中国军队第七十三、第四、第二十六军继续对第六师团围追堵截。第六师团在付出巨大伤亡后，在大批战机的掩护下，艰难地退向麻峰咀方向。十一日，日军第六师团和第三师团陆续冲出中国军队的合围，继续向北撤退。第四十师团也从春华山东侧北撤。中国军队第九十九军和第三十七军在麻石山、麻峰咀等地努力拦截，但日军相互掩护，边打边撤。
十二日，日军大部退回到汨罗江以北地区，中国军队依然没有放弃追击，第七十八军渡过汨罗江向长乐街追击。十五日，中国军队一面在汨罗江以南寻歼残留日军，一面向新墙河以北的日军阵地发动攻击。十六日，日军大部退至新墙河北岸的原阵地，中国军队的追击停止。双方基本上又回到了战前的对峙态势。阿南惟几的第十一军战斗指挥所撒回了汉口。十八日，第十一军在汉口设立灵堂追悼死者。
第三次长沙会战结束。日方战后的发布是：日方战死一千五百九十一人，其中军官一百零八人；负伤四千四百一十二人，其中军官二百四十一人。中国军队遗弃尸体二万八千六百二十一具，被俘一千九百六十五人。中方战后的发布是：日军死亡三万三千九百四十一人，其中联队长四人、大队长五人、中队长六人，其他校尉官三人；负伤二万三千零三人，俘虏一百三十九人，其中中队长一人。中国军队阵亡军官二百七十九人，士兵一万一千一百二十人；负伤军官七百八十三人，士兵一万五千三百二十三人：失踪军官二十六人，士兵二千一百土十五人。
可以肯定地说，日方公布的伤亡数字大大打了折扣。此次作战，日军一反不遗弃尸体的规定，在战场上遗留了大量尸体，战后由中国官兵加以掩埋。即使从日本战史的叙述上计算，日军实际伤亡数字也大于其公布数字。仅以第三师团第十八联队为例，该联队最后幸存官兵不足五百人，由此可见日军伤亡之惊人。中方公布的日军伤亡数字，由于依据是薛岳报来的数字，显然也有夸大的成分----日军总参战人数不过十万左右，如果按照薛岳的报告，日军伤亡共计近六万之多，那岂不是日本第十一军的主力师团已被歼灭得所剩无几？
无论如何，第三次长沙会战是对侵华日军的一次严重打击，是中国抗战军队的一次空前的胜利。这既是薛岳部署的“天炉”所致，也是日军司令官阿南惟几所犯的系列严重错误所致：贸然发动大规模攻势，作战理由和目的都很勉强，补给准备严重不足。特别是在日军抵达汨罗江畔后，阿南惟几擅自下令攻占长沙，“情报以及兵站都没有充分准备”，部队是“完全跳入了重庆军事先设置的陷阱而进行作战的”。
毫无疑问，薛岳的“天炉”战法可圈可点。中国第九战区作战指导正确，广泛发动抗日民众，彻底破坏了战场道路，运用层层防御和诱敌深入的手段，成功地把日军拖入了合围圈内。而防守长沙城的第十军死守不退，坚决完成了预定作战任务，尽管伤亡巨大，但确保了“天炉”战法的顺利实施。
毋庸讳言的是，此战还是暴露了中国军队战斗力低下以及武器装备落后等弱点：尽管薛岳严令第二十军守新墙河十天，第三十七军守汨罗江十五天，可无论官兵如何拼死作战，在日军的强势火力和进攻面前也就能守两三天而已。另外，中国军队在合围和追击阶段再次暴露出固有的顽疾：协同不力，行动迟缓，指挥官控制要点的意识和彻底围歼敌人的决心不够，这些都影响了此次会战最终的歼敌效果。
第三次长沙会战进行之际，正是日军在太平洋战场上节节战胜之时：一月二日，日军第十四军攻占了美军防御的菲律宾首都马尼拉；十一日，日军第二十五军攻占了英军防御的马来亚首都吉隆坡，第十六军攻占了荷兰军队防御的东印度群岛婆罗洲。中国军队在长沙的胜利，在世界反法西斯战场上可谓一枝独秀，不仅严重挫伤了日军的士气，进一步坚定了中国军民抗战到底的信心，也给予惨败中的盟军一定的鼓舞。
长沙会战期间，一九四一年十二月二十二日至一九四二年一月十四日，美英两国首脑在华盛顿举行了“阿卡迪亚会议”，商讨反法西斯的战略问题。美国代表马歇尔认为，中国的抗战牵制着日军三分之二的主力部队，中国是否能够坚持抗战，对太平洋战争具有决定性的作用，因此建议成立中国战区，统一指挥中国、泰国、越南等地的抗日军队。十二月三十一日，罗斯福总统致电蒋介石，提议建立中国战区并由蒋介石担任战区最高统帅，蒋介石表示同意。一九四二年一月三日，第二次世界大战中国战区正式宣告成立。