一九四一年三月，杨帅得知通城日军迭经我军袭扰，计穷力竭。遂下令进攻，由133师以397团在大沙坪东南团山地区阻敌援军，以398团协同58军新编第十师28团，从通城东西两面夹攻日军。经一夜激烈巷战，日寇伤亡惨重。次日早晨，通城残敌在飞机及大沙坪敌炮兵掩护下，逃窜至大沙坪。398团和28团同时收复通城，后由133师398团担任守备，师部进驻通城以南石潭碑以资策应。通城的收复对后续的长沙防御有非常重要的作用，九战区司令部特意致电嘉奖。
1941年初，日寇乘英、美忙于应付欧洲战争之机，积极谋求南进，与英、美之间的矛盾日益尖锐。美国也希望利用中国抗战拖住和消耗日本，加强了对中国的援助。日寇强烈感觉到自己在远东进行的战争实际上面对的是中、苏、美、英四国，因而处理中国问题必须解决南方问题。基于这种背景，日军参谋本部制定了《大东亚长期战争指导纲要》和《对华长期作战指导计划》 。但因苏德战争爆发，日军积极准备对英美开战，无力投入更多机动兵力，被迫缩小规模，仅将目的定为予9战区我国军队一次重大打击。
1941年8月中旬，日军第11集团军集结了4个师团主力及4个旅团等12万余兵力于岳阳、临湘地区，准备再次进攻长沙。9月7日，日军向大云山、方山游击根据地进攻，第二次长沙会战打响。
这次鬼子吸取了上次的教训，不再分散兵力，将主力部队集中在狭窄的正面，准备以大规模兵力正面猛攻进行决战，避免再出现像第一次长沙会战中那样，因军力分散而遭到各种伏击的情况。
面对日军的这次进攻，薛岳仍然担任第九战区司令官。他分析认为，在国际局势的影响下，美国对我国实施了大量的军事援助，使得我军在装备和物资上有了很大的改善。因此，在这次会战中，可以采取积极防御的策略，以火力和阵地对抗日军的进攻，并寻找机会反击。
9月7日，日寇与和我军正式展开激战，这一次第9战区部队面临的正面作战压力非常大。战区司令部沉着冷静地要求各部队依据当地地形优势，对进犯鬼子展开多次阻击。
9月17日，日军第11、6、13三个师团开始向长沙北部发起猛攻。薛岳命令第9、10、27、58四个集团军在长沙北部构筑了五道防线，并利用美援物资装备了大量火炮和机枪等重武器，在防线上与日军展开激烈交火。
同时，在长沙东部山林中埋伏了第4集团军和新编第1师等部队作为预备队和反击部队。双方在长沙北部展开了惨烈的拉锯战。
由于中国火力优势明显，日本步兵在进攻时遭到了巨大的阻碍和损失。但是由于9战区下达作战命令的无线电报竟被日军窃收并破译，使我军陷入极大被动，虽多处与敌激战，但遭遇失败。又由于我军防线较为分散和薄弱，在日本坦克和飞机的配合下，防线还是被突破。
9月22日，日军第11师团在坦克的掩护下，突破了中国第一道防线，向长沙城区推进。薛岳立即命令第4集团军和新编第1师从东部山林中出击，对日军进行反包围。
同时，他又调动了第27集团军和第58集团军的部分兵力，从西部和南部对日军进行反攻。日军在四面受敌的情况下，陷入了重重包围之中。我军利用火力优势，对鬼子进行了猛烈的轰击和攻击。
值得一提的是，这一阶段长沙周边地区的道路交通仍然处于严重毁坏状态，日军无法轻松获取大量战备物资。
随着战斗的进行，鬼子连日作战，粮弹损耗很大，战线的不断拉长，使后勤保障困难。又因为日寇大本营正在积极准备发动太平洋战争，“要求作战尽快结束”。所以到10月初的时候，日军不得不选择暂时结束战斗，开始向原驻扎地后撤。
会战开始前，20军133师已收复通城，这时奉命由通城向西南急进，侧击南犯之敌。部队连夜赶到步山桥以东地区，得知日寇主力已经南下，鬼子的飞机则趁机向133师猛烈轰炸，师部亦曾中弹，师部特务连在反击中伤亡惨重。鬼子飞机是小胡子援助的“容克式”飞机，较之日寇在淞沪战场上使用的飞机要先进得多。不仅俯冲投弹与机枪扫射的命中率高，而且其凄厉的尖叫声亦真够先声夺人。此后，133师仍继续向南犯之敌衔尾急追，曾一度前进到捞刀河以北地区。
鬼子主力经福临铺南下击溃罗奇、陈沛、柏辉章等军后，越过金井、高桥继续南犯。其一部经平江至长寿街附近，杨帅总部即经搭桥退驻祖师岩山下的杨坊。
这时，战区长官部已电调驻江西上高的王耀武军火速增援浏阳阻敌南下。王耀武率本军由上高经万载进入湖南浏阳境内，连日急行军，官兵已多有疲劳。
长官部这时发现日寇骑兵先头已到黄花市。当时若令王耀武军在浏阳河构筑工事，沿河布防，尚可阻敌前进。但薛岳偏令王耀武军向黄花市跑步前进；王耀武军以廖龄奇师任前卫，奉命跑步前进，刚到浏阳前方不远，即与日寇骑兵遭遇。既不明了敌情、也不熟悉地形，部队又不及展开，士兵更喘不过气来。一遇日寇骑兵冲击，顿时次序大乱，互相践踏，全部溃败。
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