鬼子佔領汨羅江兩岸的陣地後，認爲國軍不會再有什麼戰鬥力了，遂冒進長沙，接連攻克平江和永安，逐漸的打到了撈刀河附近。現在長沙會戰已經到了最關鍵的時候，也是薛嶽的“天爐戰法”的最後階段。薛嶽已經將部隊佈置妥當，就等鬼子們進入他的“老君爐”了。
立功心切的鬼子第6師團，在沒有等到其他部隊到位以前，就獨自向中國軍隊發動了進攻。薛嶽怕下面的部隊過早的發動反擊，就嚴令各部隊在目前情況下，嚴禁向鬼子進行反擊。中國軍隊被動挨打的架勢，讓第6師團感到異常的高興，他們連日來一直都向對面的國軍第4軍發動了大規模的進攻，大有一戰取勝的氣勢。第4軍也被打出了火氣，他們頂着日軍猛烈的炮火，就是死守着陣地不動搖。連續激戰了三天，鬼子們的進攻才稍微遲緩了一下，但第4軍已經有3000多弟兄長眠於這片國土之上了。這天上午，鬼子的飛機照常前來轟炸，鬼子的重炮除零星炮擊外，並沒有發動大的進攻。這一反常的情況讓第4軍產生了警覺，於是就排除了搜索連深入到鬼子的後方去摸摸情況。這一摸，“情況”卻大出他們的意料之外，種種的跡象表明，鬼子們正在偷偷的組織撤退，飛機轟炸和炮擊完全是在掩護他們的撤退行動。第4軍急忙向戰區長官部發去了急電，彙報了第6師團正在撤退的情況，並請示薛嶽是否可以發動反擊了。薛嶽的回答是：“不惜一切代價，拖住第6師團，不讓他從容撤退，爲其他兄弟部隊爭取時間，一舉殲滅其他的日軍部隊。”
原來日軍第13師團和第3師團一部在進至福臨堡和橋頭鎮一帶時，被第52軍和73軍給合圍了。進犯至鄂南的第33師團也被阻於嘉義地區，不能按計劃與第6師團會師了。岡村寧次意識到自己中了薛嶽的“圈套”了，就放棄了進攻長沙的策略，命令孤軍深入的第6師團悄悄的北撤。薛嶽那肯讓第6師團悄悄的溜走啊，他當即就命令第4軍拖住敵人，同時電令第74軍即刻出發，堵住第6師團的後路。
隨着薛嶽一聲令下，第9戰區的國軍部隊全都行動了起來。但是，鬼子也是拼命的逃跑，他們的機械化程度要高於國軍，所以國軍就像是瘸子抓小偷，越喊越遠了。行動最快的就是第74軍和79軍了，74軍在平江附近，截住了日軍第6師團的奈良支隊。79軍在嘉義地區截住了第33師團一部。經過3天的激戰，奈良支隊被74軍徹底打殘了，少數日軍突破重圍逃了出去。第33師團怕被國軍合圍，就不敢去解救被圍困的部隊，灰溜溜的逃過了新牆河。那部分被圍的日軍部隊，在第79軍猛烈的攻擊下，很快就被殲滅了。其他進攻長沙的日軍部隊都順利的跑回了新牆河北岸，就地組織防禦以防止中國軍隊強渡新牆河向他們發動進攻。第37軍重新佔領了新牆河南岸的陣地，與鬼子隔河對峙。中國軍隊的反擊行動到此結束。在追擊鬼子的途中，國軍官兵撿到了許多鬼子逃跑時丟棄的物資，但是卻沒能抓到任何一名日軍的俘虜，這不能不說是一個遺憾。
幾天之後，中國軍隊全部恢復了新牆河的原有陣地。岡村寧次處心積慮策劃的進攻長沙的作戰計劃也宣佈失敗，至此，第一次長沙會戰宣佈勝利結束。身在重慶的蔣委員長給第9戰區發來了賀電，盛讚薛嶽的“天爐戰法”之精妙，並鼓勵第9戰區的國軍部隊要再接再厲，爲這場民族生存之戰再立新功。並且委派國軍副總參謀長白崇禧上將，代表他前往第9戰區表彰有功的部隊。
其實第9戰區的高級將領們都明白，這次長沙會戰，其實並非是人們想象的“大捷”。薛嶽苦心經營的“天爐戰法”只能說是成功了一半，之所以說他成功了一半，是因爲他把鬼子們成功的引到了長沙城下，而不成功的地方就是狡猾的岡村寧次識破了薛嶽的戰略意圖，在關鍵的時候命令部隊開溜了。這次長沙會戰的結局，是雙方誰都沒佔着便宜，整個戰役的初期，國軍部隊的損失也是很大的。但在後期國軍部隊也成功的殲滅部分日軍部隊，所以總體來說是個平手的結局。儘管如此，這次長沙會戰是中國軍隊在日軍侵華以來第一次將進攻的日軍實實在在的打退了，並且迫使日軍退回了原地，可以說日軍的戰役完全失敗了，因此對日軍士氣的打擊不小。同時，長沙會戰也極大的鼓舞了全國民衆的抗日信心。
國軍部隊打退鬼子的進攻後，各地百姓紛紛奔走相告，節衣縮食慷慨解囊，僅慰問三軍將士的捐款就高達34萬大洋。香港《大公報》發自上海的報道《孤島的國慶》稱：“自從租界當局限定懸掛青天白日旗之後，孤島上海已經多日不見國旗了。現今正值湘北大捷聲中，青天白日旗又滿街飛舞，激動每一個人的熱情，吐出一口窒懸已久的長氣。”國民黨《中央日報》發表賀詞稱：“此次湘北大捷，全國振奮，誠是爲最後勝利之佐證，而對於人民的信念、國際的影響，關係尤爲深重......”緊接着，共產黨《新華日報》也發表了評論稱：“湘北大捷，鼓舞了抗日軍民的士氣，也讓中國人民看到了勝利的曙光。湘北大捷是國共合作以來的又一次重大勝利......”
同在抗戰前線，第9戰區的長沙會戰一戰成名，而同爲抗日戰場的第5戰區的情況就不妙了。早在今年的秋季，第5戰區在隨早戰役中丟掉了隨縣，到如今也沒有收復回來，這讓李宗仁一直都耿耿於懷。而蔣介石呢，雖然在大後方的重慶，卻始終關注着第5戰區的事情。在重慶召開的軍事會議上，蔣介石在表揚薛嶽的同時，也總忘不了敲打敲打李宗仁，指責第5戰區抗戰不力。
李宗仁身爲第5戰區司令長官，對蔣介石指責自己“抗戰不力”而感到氣憤。他性格較爲寬容，但卻嫉惡如仇。這些年與日軍作戰，他從沒含糊過，甚至其抗日的決心與信心都遠超蔣介石。爲了洗刷第5戰區“抗戰不力”的指責，1940年初，李宗仁策劃並發動了冬季攻勢。他決定以第11、第29集團軍和第33集團軍爲主力，對河南境內的日軍發起一次大規模的進攻，其主要目的是要收復隨縣等地區。1940年1月5日，準備充分的第5戰區發動了攻勢。
由張自忠將軍率領的第33集團軍，首先接連攻克了羅家坡和萬水寨兩個日軍據點，然後33集團軍主力迅速向黃家集一帶攻擊前進，而後又攻克黃家集外圍的董橋，切斷了鍾祥、洋莘鎮兩路日軍的後路，把日軍第103師團圍困在了黃家集地區。
日軍第103師團並非是甲種師團，但是全師團的兵力也高達15000餘人，雖然在前期的交戰中，被33集團軍消滅了數千人，但此時仍然有萬餘人的兵力。他們憑藉着黃家集在地形上的優勢，擺出了一副與33集團軍決戰的架勢。第103師團師團長將自己的指揮部設在了黃家集旁邊的觀頭山上，並把炮兵部隊也拉上了山頂，他想以強大的火力優勢阻擋第33集團軍的進攻。
張自忠將軍也意識到想要消滅103師團並非易事，這個觀頭山據點就是塊難啃的骨頭。通過偵察發現，在觀頭山下築有兩道戰壕、一道鐵絲網和一道反步兵壕溝，另外至少還有一個大隊的鬼子駐守在山下。想要強攻，那就得拿無數將士的性命去換。張自忠將軍本不想這樣做，但日軍的援兵已經火速趕來，沒辦法，張自忠將軍只能忍痛下令展開強攻。
主攻觀頭山的任務落到了第33集團軍第59軍的身上，這支部隊是西北軍的老底子，也張自忠起家的部隊。戰鬥打響後，59軍官兵士氣很旺，前面的士兵倒下了，後面的馬上衝上去。59軍將觀頭山團團圍住，以猛烈的炮火壓制着日軍。戰鬥從夜裡一直打到了天亮，59軍的損失相當的巨大，但鬼子的損失也不小。天兩以後，鬼子開始了突圍，在一陣激烈的肉搏戰後，103師團殘部突圍而去，與黃家集的日軍匯合後，他們重新組織力量開始向觀頭山反攻。
第二天上午8時許，日軍步、炮聯合部隊約2000餘人，附有榴彈炮4門，在3架飛機的掩護下向觀頭山發動進攻。日軍先以炮火和飛機轟炸陣地，約半個小時後，步兵開始發起攻擊。59軍官兵頂着日軍的炮火，在殘破的工事內頑強的抵抗着。當日軍步兵衝上來以後，59軍的官兵們利用彈坑作掩護，組織交叉火力，儘量的消耗日軍的步兵。