中路日軍第116師團及第68師團均已突破汨羅江防線，進至撈刀河北岸的水渡河、春華山地區;守軍第99師撤至三姐橋附近山區;在第116師團西側新加入戰鬥的第34師團突破守軍的神鼎山、新開市陣地後，到達撈刀河北岸的橋頭;在第116師團與第68師團之間新投入戰鬥的第58師團的主力進至汨羅江以南慄山港附近，其52旅團則西進攻佔了湘陰。
此時，東路日軍第3師團及第13師團已分別進至瀏陽西北的相公寺及瀏陽以東的蔣家埠附近。當日軍即將進抵撈刀河北岸時，第11軍即已開始作進攻長沙的部署。
鑑於此前進攻長沙的教訓，這次進攻極爲謹慎，早在會戰開始之前即已確定由第58師團進攻長沙，並預先進行了攻堅戰術、戰鬥的特別訓練;預定進攻嶽麓山的第34師團也預先進行了各兵種協同山地攻堅戰的特別訓練。爲保障該兩師團進攻長沙時的側背安全，還計劃令其東西兩路的部隊先期分向瀏陽、寧鄉進出，使長沙陷於孤立，爾後再將該兩師團投入攻擊。
6月7日夜下達瞭如下先攻佔長沙兩側的寧鄉、瀏陽，再進攻長沙的作戰命令 ，日軍各部隊按照命令開始調整態勢，西路第40師團則積極向益陽逼近。中國軍事委員會於6月9日令剛到達桃江鎮附近的第24集團軍加入戰鬥。因日軍已迫抵資水，益陽危急，第九戰區令第24集團軍速向益陽、寧鄉前進。
6月10日，日軍開始圍攻益陽，王耀武令第100軍馳援。第100軍於12日拂曉進抵益陽附近，但此時益陽守軍第77師已因傷亡過衆於11日夜突圍撤走。第100軍的第19師並不知守軍已撤，於12日拂曉向益陽外圍日軍進攻。經激戰後，日軍主力轉向寧鄉進攻，第19師於14日收復益陽，將城防再交第77師，第19師尾隨日軍，南下寧鄉。
日軍第40師團由益陽進攻寧鄉時，遭到守軍第73、第79軍的堅強抗擊。第九戰區爲策應寧鄉之戰，令第99軍轉移至寧鄉東南的金馬橋附近作爲機動部隊，準備適時側擊進攻寧鄉的日軍。
守備寧鄉的部隊是配屬第73軍的第58師。日軍突破外圍陣地後猛攻寧鄉城於6月15日晨突入城內。兩軍展開激烈巷戰。經反覆肉搏，迄18日，守軍僅餘200餘人，仍據守核心陣地。
19日凌晨，日軍第40師團轉向湘鄉進攻，由益陽尾追日軍的第19師進入城中，與58師殘部會合。東路日軍於6月8日接到軍的命令後稍事整頓，於10日開始向瀏陽實施夾攻，第3師團突破高開橋陣地由西、北面向城垣攻擊。第13師團以一部經古港，從東面進攻城垣，主力迂迴至瀏陽城南。
激戰至14日上午，第44軍守城部隊突圍，日軍佔領瀏陽。中路日軍第116、第68師團分別從汨水渡河，在春華山附近強渡撈刀河，擊退守衛長沙的第4軍警戒部隊，於14日進抵株洲及其東南的石亭附近。
守軍暫7師退守淥水南岸。此時日軍第34師團已渡過湘江，進抵嶽麓山東、北兩面，第58師團已進至長沙東面 。
6月16日，日軍在航空兵直接支援下，對嶽麓山及長沙市發動總攻，第34師團當天攻佔了嶽麓山東、西的虎形山和牛形山。黃昏時，日軍第58師團突破第59師修械所陣地，59師撤守妙高峰、天心閣核心地帶。
6月17日晨，日軍在航空兵掩護下向天心閣和桃花山陣地猛攻，並施放大量噴嚏性毒氣。雙方死傷均極衆。嶽麓山方面，日軍第68師團的第58旅團由第34師團右翼迂迴至守軍第90師左翼，猛攻燕子山陣地，第90師的第268團損傷過半，形勢極爲嚴峻。
第4軍決定將軍主力增援嶽麓山，令第59師及第102師各留1個團繼續防守長沙市，其餘部隊於入夜時渡湘江轉移至嶽麓山。渡河倉促，墜江溺斃者，不下千餘，加上日軍在牛形山及其東面以猛烈火力側擊半渡的部隊，致死傷更衆。後續渡河部隊被迫折返東岸。
18日晨，渡河部隊到達湘江西岸時，嶽麓山核心陣地已失，被迫退出嶽麓山。其後覆被尾擊，直潰退至邵陽。留於長沙的2個團，在日軍猛攻下更無法支持，一部千餘，由北門衝出東山，沿途與日軍戰鬥，退至茶陵歸27集團軍歐副總部收容、指揮，長沙遂於18日15時被日軍佔領。
“中國派遣軍總司令部”爲了策應第11軍作戰，在日軍進攻長沙期間令第13軍派駐杭州的第70師團從金華進攻衢州，以牽制第三戰區的部隊向湖南調動。
6月10日第70師團沿鐵路兩側攻擊前進，12日攻佔龍遊，以後即遭到守軍第26、第79師的堅強抵抗。第105、第145、第146師亦投入反擊。但在日軍駐金華的獨立步兵第104大隊來援後，守軍退守衢州城。
6月26日4時40分，日軍開始攻城，5時15分突入城中。守軍撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追擊日軍火力集襲，傷亡甚大。日軍僅1個師團，深入擁有3個集團軍的第三戰區80公里。
第三戰區作戰17日，不僅未能圍殲日軍，也未能阻止日軍，反而損失1000餘人。日軍佔領衢州後，認爲牽制任務已經完成，於27日開始撤回金華。
日軍第11軍在開始向長沙發起總攻的6月16日即向各部隊下達了在第九戰區失守長沙、寧鄉等地後，乘其混亂、尚未組織起新的防禦體系之前迅速突進攻佔衡陽的命令，因而預定用以攻擊衡陽的第68師團及第116師團在長沙尚在激戰之際即渡過瀏陽河南下，在長沙棄守時已進至株洲及其以東的清江鋪地區，爾後準備沿湘江兩岸向南快速推進，直趨衡陽。
東路日軍第3師團及第13師團佔領瀏陽後即繼續向醴陵、萍鄉前進，並準備向攸縣、安仁、耒陽(耒縣)推進。湘江西岸的西路日軍第40師團於19日攻佔寧鄉後亦繼續南下湘鄉，並準備向衡陽以西的永豐、渣江前進，與東路日軍遙相呼應。