冈村宁次对长沙的进攻策划于南昌会战之后，为此，日军首先在随枣一线重创了中方湘鄂巴蜀战区，又在鄂东北对原第五战区发动一系列的进攻，最终迫使李宗仁部南撤皖赣边区，并清扫了武汉西北方向的威胁。
但是由于豫东会战的原因，原本应该南下的日军第十一军被迫调兵北上增援岌岌可危的华北方面军。对此，冈村宁次是颇有些不情愿的。所以还不待豫东会战最后结束，冈村宁次便命令参战的第一零一师团和卅三师团急急返回华中。
然而不待冈村宁次重新捡起长沙会战的作战方案，东京大规模的调整了侵华日军的作战序列，第十一军下属的第一零一师团和第一零六师团奉命调回国内复员，取而代之的是第卅九和第四十师团这两个战力较弱的三联队制警备师团。
虽然第十一军的进攻力量遭到了一定程度的削弱，但冈村宁次却认为对付南方国军已经足够了。为此，冈村宁次迫不及待的下达训令：“（本）军为了打击敌军继续抗战的意志，决定在11月中旬以后，开始奇袭攻击，以期在最短期间内，捕捉敌第四战区主力部队，将其歼灭于湘赣北部平江及修水周围地区。”
由此可见，冈村宁次的真实目的并非是占领长沙，而是通过对长沙的进攻，调动外围中国军队，从而实现聚歼的目的。为此，日军调动3个师团又2个旅团近10万兵力，从赣西北、湘北、鄂南三个方向合围过来。
面对日军的进犯，第四战区代理司令长官薛岳认为，第四战区所辖范围主要是湖南及鄂南、赣省一部，战区跨湘、鄂、赣三省边区，东西以赣江、湘江为天然之境界，两翼又各有一湖，东为鄱阳湖，西为洞庭湖，恰成为整齐对称形之战场，日军大迂回之战法无从施展，只能进行正面作战；而且在湘、鄂、赣三省相交的地区，群山纵横，地形复杂，其中长沙以北的湘北地区，不仅多山，而且多水，以粤汉铁路为分界由北向南划一直线，其左侧有洞庭湖及澧水、沅水、湘江三大河流，右侧有新墙河、汨罗江、捞刀河、浏阳河，从而形成天然的防线，这样一种多山、多水的地形对部队行动会产生较大影响，尤其不利于日军的机械化部队行动；因此只要利用这些良好的地理条件，再加上正确的战略、战术，完全有可能打退日军的进攻，化被动为主动。
正是基于上述认识，第四战区的作战方案如下：“敌似在11月中开始南犯，将以主力由湘北南趋长沙，于赣北、鄂南施行策应作战。战区拟予敌以严重之打击而开第二期抗战胜利之先河，决诱敌深入于长沙以北地区，将敌主力包围歼灭之。赣北、鄂南方面，应击破敌策应作战之企图，以保障主力方面之成功。”
薛岳随后将这一战略部署的核心之点总结为八个字：“后退决战，争取外翼。”
根据这一思路，薛岳将滇军系统的第一集团军卢汉部所属孙渡第58军、安恩溥第60军用于守备靖安、奉新以西张家山、麻下、会埠一线阵地；第十九集团军罗卓英部所属夏楚中第七十九军、李觉第七十军守备莲花山、马形山以及锦江右岸阵地；第十五集团军张耀明部以郑洞国第五十二军主力守备新墙河阵地，傅仲芳第九十九军守备南江桥至麦市间阵地，陈沛第卅七军守备湘阴以北湘江亘汨罗江右岸阵地；第廿九集团军王瓒绪部以第廿一军陈兰亭部前出咸宁、崇阳地区，湘军系统的第七十三军彭位仁部集结于渣津地区；第卅集团军王陵基第七十二、第七十八军共4个师守备武宁以西蒲田桥、琵琶山一带阵地；湘鄂赣边区挺进军樊崧甫部位于通山、大冶、阳新地区；第四、第五、第八、第七十四、新编第六军和第十一师共15个师为战区总预备队，分别集结于长沙以南、以东的湘潭、株洲、衡山、衡阳、浏阳及赣北上高、宜丰、万载等地。
1939年11月20日，赣北的日军第四十师团在师团长天谷直次郎中将的指挥下率先发动了牵制攻势。面对日军的进攻，前敌总司令罗卓英指挥在这个方向的华军3个集团军计7个军随即投入战斗，对日军实施坚决抵抗。
日军第四十师团虽然是新编成的部队，也无在华作战的经验，但第四十师团系日本国内刚刚调来的新锐，又得到第十一军直属炮兵、战车及日军第一飞行团的支援，战力远胜于当面滇军第一集团军及C.C.中央军。结果只有短短4天，日军便占领高安。随后第四十师团主力西调，准备加入鄂南战场，得到喘息的中方才集结力量，击退日军收复高安。
11月24日，集结于湖北通城的日军第卅三师团，在师团长甘粕重太郎中将指挥下，在鄂南发起攻势。其目的是从东边避开国军沿新墙河、汨罗江设置的两道防线，在平江地区与湘北日军主力夹击部署在新墙河、汨罗江防线的国军第十五集团军。
日军第卅三师团由通城南犯后，首先以一部兵力向第七十九军正面阵地南江桥进行佯攻，同时，另以一部兵力准备绕过幕阜山东侧，经白沙岭向长寿街推进。第廿九集团军总司令王瓒绪很快判明日军是企图切断第七十九军退路，然后加以包围歼灭。
于是王赞绪立即向薛岳报告，同时急令通城以南的第廿一军由西向东侧击日军。薛岳接到报告后当即判定若听任这股日军与湘北日军会合，那么部署在新墙河、汨罗江防线的第十五集团军就会受到夹击，后果不堪设想。为此，薛岳急忙从预备队中抽调第八军前往增援，同时命令湘鄂赣边区游击总指挥樊崧甫，以大湖山、九宫山方面的部队由南向北尾击和由东向西侧击敌人，对日军构成南北夹击和包围的态势。
经过一番调动，再加上第七十九军和第廿一军拼死苦战，终于将日军第卅三师团阻挡于大白塅、鸡笼山、磐石、箭头、麦市之间，不能前进。乃改向苦竹岭攻击，然后进入修水县之桃树港，向长寿街方向前进。途中又遭到第廿一军第一六三师吴锦堂部、第一四九师严啸虎部在白沙岭堵击，第七十九军第八十二师及第九十八师又在右侧面的侧击，等到日军进到桃树港时，又遭到第七十九军第一四零师的侧击，第卅三师团因此蒙受不小的损失。
12月3日，一路损兵折将的第卅三师团终于攻占朱溪厂，主力进入长寿街、龙门厂、献钟一带，在献钟以西三眼桥与奈良支队先头部队会合。日军两条战线联成一线，但预计包围的国军第十五集团军已经后撤。不得已，没有完成既定战役目标的第卅三师团只好开始后撤。此后，该股日军经渣津东攻修水策应第四十师团撤退。中方第七十九、第八、第廿一军及第卅集团军互相配合，多次对撤退的日军进行截击、夹击，给日军撤退造成了不小的麻烦。
湘北主战场打响的时间是11月23日。日军在这个方向投入进攻的部队是第六师团和第十三师团的奈良（晃）支队以第三师团的上村（干男）支队约5万人，而在湘北方面担任守备的国军是由张耀明指挥的第十五集团军。
11月28日，晨，日军第六师团和奈良支队先是集中80多门火炮向防守新墙河南岸的第五十二军第二师阵地猛烈炮击。一小时后炮火延伸，日军第六师团在师团长稻叶四郎中将亲自指挥下，从七步塘附近开始强渡新墙河。但日军遭到中国军对的顽强阻击，日落时分，双方仍在新墙河一线对峙着。
正面战场未能实现突破，日军便又使出迂回的老办法。11月28日拂晓，上村支队在日本海军中国派遣舰队的帮助下利用机动舟艇越过洞庭湖在新墙河后方要点营田登陆，造成对第十五集团军三面包围的事态。见势不妙，张耀明立刻向薛岳提议撤退，经薛岳批准，第十五集团军立刻撤出，这才使得日军围歼中方主力的图谋迅速落空。
对此，日军对张耀明的不配合非常不满，日后在战史中大骂张部战斗意志薄弱，连“苦心经营半年到一年的阵地居然都不战放弃”。
围歼中国军队主力的计划落空了，中方湘鄂巴蜀战区又在鄂西北接连策动反击，虽然这一反击是迟到的兰封战役的余波，但依旧给武汉西北方向造成了极大的压力，再加上放弃了鄂东、皖西的李宗仁迫于国内舆论压力在赣东北作出反攻南昌的架势，冈村宁次不得不见好就收。于是12月2日，前锋抵达捞刀河的日军开始全面后撤。
发觉日军开始后撤的第九战区随即发动反击，先后收复上杉市、福临铺、金井等汨罗江以南国土，并越过汨罗江向长乐街、汨罗、新市等地反攻。薛岳随后要求各部队“以现在态势立向当面之敌猛烈追击，务于崇阳、岳阳以南地区捕捉之”并“对敌之收容部队，可派一部监视、扫荡之，主力力行超越追击”。
但机械化的日军进攻速度够快，撤退速度也不慢，在中国军队纷纷围堵上来之前，日军大部已经撤过汨罗江。就这样，至12月6日，赣北、鄂南、湘北各战场均恢复到战前态势，第一次长沙会战就此宣告结束。