1941年年中，德軍入侵蘇聯進展順利，日軍亦進攻越南南部。日軍為壯大軸心國聲勢，並取得南進的有利態勢，決對我發動大規模攻勢。日軍企圖在汨羅江以南，長沙以北地區消滅我第9戰區主力，故於1941年9月，由阿南惟畿指揮約4個師團兵力，配合飛機180多架及部份海軍艦艇，合共12萬人，分兩路向長沙發動進攻。第9戰區司令長官薛岳指揮13個軍、1個挺進軍、2個飛行大隊，共30多萬人，利用有利地形與既設陣地，逐次抗擊，意圖將日軍誘入汨羅江以南、撈刀河以北地區加以殲滅。 9月18日拂曉，日軍主力配合傘兵攻勢，在炮火掩護下，強渡新
墻河，突破南岸守軍陣地。守軍以少數兵力遲滯日軍，將主力轉移至關王橋以東側翼陣地待機。同時，日海軍陸戰隊乘軍艦及汽艇由岳陽經洞庭湖，向青山進攻，該地守軍為99師一部，堅強抵抗，犧牲殆盡。19日，日軍留部份兵力於新墻河一帶抵抗側翼我守軍，主力則速向汨羅江挺進。21日，日軍強渡汨羅江後，改正面突破為側翼包圍，向東迂回，包抄國軍。28日，日軍一部攻入長沙。我軍投入兵力與日軍相持不下。日軍主力攻擊長沙時，我軍則從23日起，分別投入增援部隊， 對各自當面日軍發動進攻，以牽制日軍行動。29日，第九戰區預備隊和增援部隊第72、第79、暫編第2軍等6個軍進入長沙週邊，在敵後的第4、第20、第58軍亦尾敵南下。
日軍遭南北夾擊，加之後方運輸線遭到我軍民破壞，補給困難，10月1日下令分三路突圍北撤。國軍部隊全線反擊，跟蹤追擊日軍，日軍於5日在空軍掩蔽下退過汨羅江，8日越過新墻河，以工事與我軍相抗，基本恢復戰前態勢，第二次長沙會戰結束。 雖擊退日軍之進攻，但觀察此次日軍一改第一次長沙會戰時，採用的廣正面大包圍戰法，而仿效閃擊戰，配合協調良好之步、砲、空中兵力，以狹小正面突破滲透，局部包圍，各個擊破我軍，且戰況不利後即迅速後撤，進退均極其迅捷，可見日軍訓練之精良。相較之下我軍於裝備及訓練均不及的狀態下，僅能以堅定之戰鬥意志彌補自身不足，並利用截擊敵軍補給線之手法，耗損敵軍之衝力。 國防部史政編譯
局所編抗日戰史專輯亦承認，該戰因國軍部隊編組龐雜，指揮系統疊床架屋而權責不明，故往往不能掌握有利戰機：攻擊時支援火力不足，逐次投入兵力，為敵軍逐個擊退，造成大量死傷卻勞而無功；敵軍撤退時亦不能掌握機會追擊，趁機予其重大殺傷。國軍於此役中吸收教訓，謀求補救之處，卒造成接下的第三次長沙大捷。