第一次長沙作戦
第11軍 - 阿南惟幾中将。45個歩兵大隊と26個砲兵大隊が基幹。 第3師団、第4師団、第6師団、第40師団。 早淵支隊 - 第13師団の4個歩兵大隊、2個砲兵大隊基幹。第4師団の指揮下に配属。 荒木支隊 - 第33師団の3個歩兵大隊、1個砲兵大隊基幹。 江藤支隊 - 独立混成第14旅団の独立歩兵第62大隊。 平野支隊 - 同上の独立歩兵第63大隊。 戦車第13連隊 - 九五式軽戦車、配属の九四式軽装甲車を装備。 野戦重砲兵第14連隊 - 四年式十五糎榴弾砲24門装備。 独立野戦重砲兵第15連隊第1大隊 - 十四年式十糎加農砲4門装備。ほか。
協力部隊 - 第1飛行団、第3飛行団、第一遣支艦隊の一部(砲艦「勢多」、「堅田」)ほか。
宜昌方面
第13師団 - 宜昌付近の警備。3分の1の戦力(7,711人)を早淵支隊として長沙方面へ抽出。
第39師団 - 第13師団の東に隣接する地域の警備。
第3師団は退却途中の中国軍と激戦を交えながら、29日株州に突入してこれを占領、休む間もなく翌日に反転を開始した。
長沙の占領と中国軍の主力部隊を潰滅させ作戦目的の達成を確認した日本軍は、10月1日日没後に反転を開始した。この反転が開始される前後から、日本軍の兵站線に対する東からの中国軍(第4、第20、第58、第72軍など)の攻撃が積極化してきた。第4師団主力が反転する際、歩兵第61連隊の第11中隊が取り残され、10月2日に長沙の近くで包囲される事件が起こった。一部部隊が引き返し、第1飛行団の16機が出動して3日に救出した。日本軍は頑強に妨害を試みる中国軍を排除しながら北上し、おおむね10月6日までに新牆河を渡って帰還した。
中国軍は湖南省の民衆の協力を得て作戦地域の道路を徹底的に破壊し、水田はすべて冠水していた。これは装備劣勢の中国軍が日本軍との戦力の均衡を狙ったもので、日本軍の重砲や戦車はついに汨水より南への戦闘に参加できなかった。
長沙作戦の策応作戦として、南昌方面では第34師団と独立混成第14旅団が9月25日、27日から陽動作戦を行った。また北支那方面軍も牽制作戦を実施、第35師団が黄河を渡河して南岸の中国軍陣地を攻撃した(河南作戦)。
混戦の数時間後中国軍は後退したが、この日以来、中国軍の5個師は毎晩入れ代わり立ち代わり波状攻撃を繰り返した。
10月7日、漢口で内山師団長からの親書を受け取った第3飛行団長遠藤三郎少将は、翌日、軽爆撃機に乗り込んで砲撃に晒されている宜昌飛行場に着陸した。内山師団長から兵士の空輸を懇願された遠藤少将は、荊門飛行場へ折り返し、歩兵小隊と機関銃分隊(45名)のピストン空輸を行うことにした。兵士らは九七式輸送機(乗員8~10名)で空輸されたが、3回目の着陸の際に敵砲弾の中を強行着陸したため、輸送機が被弾して空輸は中断された。また第3飛行団は全力を挙げて宜昌周辺の敵を攻撃した。一方、第13師団の苦戦を知った軍司令部は、第39師団と早淵支隊を救援に向かわせた。
10月10日午前2時30分、中国軍は双十節を期しての総攻撃を東山寺正面に加えてきた。中国兵の必死の突撃に陣地の一角が一時危機に瀕したが、守備兵の逆襲と側防山砲でかろうじて撃退した。第13師団司令部では、万一の自体に備え第一線の連隊から下げられていた軍旗の奉焼、秘密書類の焼却、師団長以下幹部の自決場所の設営などの準備を整え、軍司令官宛の訣別の電報が用意されていた。
10月11日、第39師団が到着し翌日から両師団は攻撃に転じたが、中国軍は10日夜と11日夜の雨天、暗雲を利用して全軍をすでに後退させていた。中国軍の退却を察知した第3飛行団は全力で猛攻撃を加え15キロ爆弾128個、50キロ爆弾270個を投下した。その後、日本軍は10月26日まで江北方面各地に進攻した中国軍の掃討を続けた。
第4師団の指揮下にあった早淵支隊はいち早く前進して9月26日に撈刀河を、翌27日に瀏陽河を無血渡河して夕刻長沙市街の一角に突入した。早淵支隊が入城した当時、市民はまだ避難しておらず、敗走してきた中国軍が後から進入してくる程であった(第9戦区司令部は湘潭へ退避済み)。日本軍は市街の破壊や掠奪などを禁じた命令を守り、翌28日には市内の掃討を完了させた。9月29日、第4師団主力も長沙東側地区に集結した。この日、中国空軍のSB爆撃機9機は温江飛行場から発進し、8機が長沙市街北端に爆弾30個を投下した。編隊を離脱した1機は宜昌飛行場に着陸して日本軍に帰順した。30日、AP通信・UP通信のアメリカ人・ドイツ人記者5名を乗せた旅客機が長沙上空に飛来して長沙占領を確認し、その後岳州の軍司令部を訪問して阿南軍司令官から作戦目的の説明を受けた。これは中国側が依然「長沙固守」を盛んに宣伝していることへの対抗措置である。
第3師団は長沙よりさらに南の株州への追撃を具申したが、作戦目的達成と判断していた軍司令部から一度は却下されていた。しかし、すでに一部を独断で向かわせていた第3師団は再度追撃を具申し軍参謀部を困惑させたが、阿南軍司令官はあっさりこれを承認した。