正县-南阳会战之后，华北日军暂时失去了进攻能力，华中日军第十一军却不一样。虽然其所属第卅九、第卅四师团同样蒙受了不小的损失，但就第十一军本身而言，其还有六个师团又三个独立混成旅团可以使用。因此，在确认了随枣方向的中国军队已经转入休整状态之后，试图挽回面子的圆部和一郎中将便在长沙方向行动起来。
但是此时参谋本部制定的《大东亚长期战争指导纲要》和《对华长期作战指导计划》这两个文件已经在1941年4月16日的大本营会议上获得批准，并在御前会议上得到天皇的裁决。因此日军将“不再进行大规模进攻作战。如果需要，可以进行短时间的、以切断为目的的奇袭作战，但以不扩大占领区和返回原驻地为原则······”
迫于这个原则，圆部中将只能以中方有生力量为第一打击目标，于是【加号作战】由此形成，并随后获得了新任中国派遣军总司令畑俊六大将---这位大将向来主张“彻底摧毁中国继续战斗的企图、解决中国问题才是日本的根本国策”---的首肯。
5月17日，日本大本营在畑俊六大将的压力下以“大陆令”第535号命令批准长沙作战计划，不过鉴于关特演需要大量的航空力量，贵阳方面的空军又格外弱小之故，所以大本营从配属第十一军作战的海陆军航空兵中抽调走了相当的力量。
5月29日，日军已经初步布置到位，其部属为：
第卅九师团配属独立山炮兵第二联队的3个山炮大队集结于岳阳东南的小桥圳；第卅四师团配属独立迫击炮第1大队集结于岳阳东南的新开塘附近；第六师团配属独立山炮兵第卅九联队的2个山炮大队在岳阳以南的草鞋岭附近；第四十师团配属独立山炮兵第卅九联队第3大队由湖北大冶、咸宁地区西移至桃林附近集结；以第十三师团的4个步兵大队、2个山炮大队为基干组成早渊支队集结于岳阳以东的冷水铺附近；以第卅三师团的3个步兵大队、1个山炮大队为基干组成荒木支队集结于桃林附近；以独立混成第十四旅团1个步兵大队、1个山炮中队为基干组成平野支队集结于岳阳城陵矶附近；以独立混成第十四旅团1个步兵大队为基干组成江藤支队移至临湘附近集结；以战车第十三联队配属2个轻装甲车中队，由武汉向岳阳集结；野战重炮兵第十四联队由武汉向岳阳附近集结；以3个独立工兵联队、8个架桥材料中队为基干组成第十一军军工兵队在岳阳、临湘地区集结······
6月11日，作为第二次长沙会战的前锋战的大云山之战爆发。
是日，日军第六师团第廿三、第四十五联队在航空兵支援下从忠坊向大云山北侧雁岭、詹家桥展开进攻，遭守军阻击后向东南侧迂回；其第十三联队向大云山西侧进攻，与守军第一零四师李青廷部发生激战。这时第廿三集团军发现鄂南咸宁地区日军第四十师团向湘北调动，判断是与第六师团换防，日军向大云山的进攻是换防前的例行攻势。于是，于11日18时命令第四十七军确保大云山，同时命令第廿五军派出部队协同第四十七军作战并命令暂编第三军准备从通城向西侧击日军，乘日军换防时给以打击。
6月12日至13日，中日双方继续围绕大云山激战，敌我损失都非常惨重，只是薛岳并未判断出日军此役的主要目的。14日，薛致电蒋时仍称“日军扫荡我大云山后南渡新墙河窜扰。经判断敌又师上高时第卅三师团以进为退之故伎”。
不过日军以大云山之战吸引蒋军注意力的手段终未得逞，随着日军主力在湘北集结的完成，日军入侵长沙的势态也明显起来，手握3个集团军12个军33个师的薛岳此时真是哭笑不得，然而机不可失失不再来，现在再说什么已经是无法挽回了，不得已只能提出“诱敌深入、反击歼敌”的作战方针，试图“在赣北、鄂南方面，对非主攻方面之敌，力求将其夹击于崇仁、新淦以北，宜春、万载、铜鼓、修水以东及修水、长寿街、梅仙以北地区，予以各个击破”；“在湘北方面，敌如以主力由杨林街、长乐街、福临铺道及粤汉铁路两侧地区向长沙进犯时，则诱敌于汨罗江以南、捞刀河两岸地区，反击而歼灭之”······
根据上述方针，薛岳第一时间下令第廿三集团军向新墙河以南撤退，所部五个师已经损失过半的唐式遵部才得以保全剩下的兵力。
6月15日，日军全线进入进攻位置，此时新墙河南的中国军队仅有第廿三集团军及配属作战的第四军一部，其余如第五十八军等部尚未到达指定位置。
6月16日凌晨，日军在其配属的329门山野炮及大口径迫击炮的火力支援下开始强渡新墙河。守军奋勇抵抗，一度迟滞日军进攻达数小时之久。然而日军依靠飞机大炮和战车、装甲车的支援最终还是打开了登陆口，至当日16时，各部第二线阵地也被日军突破。
鉴于战事不利，唐式遵和第四军军长欧震经过讨论认为：“日军兵力占优势，攻击猛烈，且有空中支援，正面阻击已不能奏效，遂令各师逐次掩护，向关王桥以东山地转移，占领有利阵地，以便于尔后机动或侧击日军。”
得到新墙河阵地已被突破，薛岳便调动卢汉第一集团军余部从修水、三都地区西进至通城附近，准备担任该方面的反击作战；第七十八军张再所部进至王安屋、朱公桥方面协同第四军其余部队向西侧击渡河南进的日军。
6月17日，日军继续前进。傍晚时分，日军前锋抵达汨罗江北岸的石头铺、长乐街附近。其中突得最快的第六师团还以一部从磨刀石渡河，与南岸守军第卅七军第九十五师罗奇部的6个营在颜家铺、浯口一带交战。
由于第四战区在汨罗江南岸担任守备的部队只有第卅七军的第九十五师、第一四零师以及第九十九军的第九十二师、第九十九师、第一九七师等5个师，总兵力不足五万人。
有鉴于此，薛岳便根据预定的在汨罗江两岸与日军决战、反击而歼灭日军的计划，命令第卅七军(欠第六十师)守备浯口至骆公桥之线；第九十九军的第九十九师守备络公桥以西、营田至湘阴之线；第九十二师推进于三姐桥以北，占领阵地，转隶第卅七军军长陈沛指挥，坚决就地阻击日军；第六十军主力即由浏阳开赴金井附近；新编第三军张冲部改调平江，准备实施反击作战。随后第九战区又命令第廿三集团军各军向汨罗江以北日军侧背的长乐街、磨刀石、归义、新市等地攻击；迟滞其南进速度；命令第六十军由金井向瓮江推进；令在衡山、渌口的第十军李玉堂部即向高桥、金井一带开进。
6月18日，贵阳军事委员会电令第司战区固守湘江两岸及汨罗江南各既设阵地、加强抵抗，保持主力于外翼，力求攻击敌之侧背；令第二、第三战区乘虚向当面敌人攻击，以策应第司战区作战。同日，贵阳军事委员会又下令正式将第十、第廿九集团军拨归第司战区指挥外还命令从第三战区抽调第七十四军、从第六战区抽调暂编第二军增援第四战区。
只是第四战区的电报已经遭到日军破译，得知中方部署的圆部中将随即改变预定计划令第卅九、第卅四师团所部逐次转向浯口、瓮江东侧地区；令第四十师团、第六师团所部从东面山地迂回，妄图对中国第卅七、新编第卅九军、第十军等部形成合围态势并予以歼灭。
薛岳并不知道日军的行动发生了变化，结果19、20两日，第卅七军等部遭到日军重点打击，各部被日军逐一击破，损失极为惊人。面对这一情况，薛岳不得不要求第七十四军等部加紧驰援捞刀河前线。然而这一电文又遭日军破译，为了消灭第七十四军这个老对手，圆部中将再度调整作战计划，以第卅九、第卅四师团所部向捞刀河以南突进；解除第六师团所部原定占领平江的任务改向捞刀河谷推进，以便拦击第七十四军；又以第四十师团所部在扫荡金井附近地区后南下······
21日，第七十四军先头部队第五十七师到达捞刀河北岸的春华山附近，却发现春华山已被日军占领，不得已只能占领南岸天鹅山与日军对峙。日军发现第五十七师动向后旋即向天鹅山展开进攻，双方激战彻夜，至22日晨，日军才被击退。第五十七师乘机反击夺回春华山，并向北开进至麻林一线迎击日军。
22日上午，日军第卅九师团主力在空军支援下向第五十七师正面连续猛攻，结果遭到第五十七师顽强抗击。日军又投入第卅四师团一部攻击第五十七师左翼。第五十七师伤亡近3000人但依旧坚守不退。同日，第五十八师在春华山、夏家塘、伍家渡一线，第五十一师在伍家渡、杨家滩之线，以及协同第七十四军作战的第卅七军第九十五师在王家冲、杨公桥一线也与日军第六、第卅九、第卅四师团发生激战，第七十四军上下损失极为惨重。
不得已，6月23日夜间，第四战区只得紧急命令该军撤出战斗，东向洞阳市、横江至浏阳河南岸转移，准备侧击日军。
此时，长沙的门户已经顿开，然而守备力量却极其单薄，城内居民纷纷逃难，道路为之拥塞，秩序极为混乱，日军只要伸手一摘，长沙便如熟透的果子一样将落入日军之手。
可是，即将大功告成的圆部和一郎中将再度停手了。6月24日，圆部中将下令：“本军已达成战役之目的，即日起各部返回各自出发地······”
第二次长沙会战就这样莫名其妙的结束了。