阿南惟几，木下勇等为制订作战计划，费尽心机，并反复派飞机侦察湘北周围的地形和我军配置。
还认真总结参考了第一次长沙会战的经验教训，同时召开各师团参谋长参加的军事会议，征询意见，进行兵棋演习。
在作战计划里，阿南惟几吸取了第一次长沙会战的教训，彻底集中了兵力——在沿着新墙河仅20公里的狭窄正面，他把四个主力师团（第40、6、3、4师团）自东向西一字排开。阿南惟几要求日军以大兵团迅猛推进，在最短时间内完成作战目的，然后迅速撤回原地。
阿南惟几的目标还是粉碎第9战区的有生力量，而非占领长沙。
日军转变了作战思路，但是薛岳还沉浸于第一次长沙会战的胜利之中，完全照搬老战术，“诱敌深入”“集中主力”在长沙周围决战，这也注定了第二次长沙会战的惨败。
日军扫荡大云山，薛岳没有引起重视在正式作战之前，阿南惟几命令日军第6师团扫荡大云山，将大云山的中国守军赶到南岸，目的是：
一、掩护其主力集中，解除后顾之忧。
1941年9月7日，日军第6师团在飞机的掩护下，分别由桃林、忠坊出发，从东、西、北三面围攻大云山。
日军原以为这是一次简单的作战，但却遭遇了中国守军的顽强抵抗。
9月10日，国军趁第6师团和第40师团换防之际发起进攻。58军控制大云山主峰，59师、60师、新编第10师合力包围日军第13联队。
日军第6师团和40师团交接时，不知何故忽视其还有一部正在和我军激战，只告诉第40师团“第6师团已扫清大云山敌人，你们将不会遭遇到大量敌军”
第40师团先头部队重松支队放松了警惕，遭到了新编第10师的猛烈伏击。第13联队反而趁机逃出包围，重松支队却成了我军包围圈中的新对象。
战况最激烈时，中国官兵的手榴弹如下雨一般砸向日军，重松大佐甚至高呼“军旗危险”。
激战至15日，重松支队仍处于包围之中，第11军派33师团荒木支队前往救援。
日军经过一番苦战才得以脱困，但第40师团伤亡惨重，达到了整个会战期间的一半以上。
9月15日，日军四个师团以上的兵力完成了在新墙河北岸的集结。
大云山作战，虽然对敌第40师团予以痛击，但遗憾的是薛岳和他的将领们却没有引起重视，他们认为这不过是日军的一次孤立行动，没有动用大兵团对第40师团予以围歼。
薛岳在日军已开始大云山扫荡战后给常凯申的报告中判断：“战区当面之敌，除以少数兵力向我扰乱外，似无大企图。”
薛岳的判断失误，错过了一次扭转战局的良机。
薛岳电报被截，围歼日军反被日军包围日军虽然大云山作战不顺，但还是完成了原定的部队集结。
1941年9月18日凌晨，日军300多门火炮一起开火，第二次长沙会战开始。
在炮火准备一个小时之后，日军战机也开始空袭新墙河南岸的中国守军阵地。随后，日军四个师团同时强渡新墙河，开始突击中国守军阵地。
前沿的第102师、60师、59师拼死还击，但无法抵挡日军强大火力，加之日军集中兵力实施集团冲锋，如102师阵地，就遭到日军三个师团的联合冲击。
9月18日上午9点，我新墙河前沿阵地全面崩溃，守军只得退守二线阵地。但日军突击太快了，下午4时，二线阵地也被日军突破。
102师在防守作战中损失惨重，成功撤退全师仅剩700多官兵，伤亡高达九成。
“全师抱着誓死为国的决心浴血奋战，杀敌报国”。
日军继续快速突破，19日傍晚，日军3个师团分别抵达了汨罗江北岸的石头铺、长乐街一线。此时南岸守军只有95、140、92、99四个师。
这个时刻，薛岳依旧决定按照原定方案，在汨罗江两岸和日军决战——37军在南岸正面阻敌，吸引敌主力，而真正打击则来自汨罗江东岸的东侧打击日军的侧背。
但是薛岳的作战指令被日军截获了，阿南惟几及时改变了作战方案，将主力移到了中国军队侧击的方向，准备对中国军队实施合击。
在这样的情况下，尽管第9战区的将士们不畏牺牲，奋勇作战，但事实却是残酷的。
国军非但没有实现在汨罗江两岸围歼日军的作战企图，准备围歼日军的中国军队反被日军主力师团围攻而伤亡惨重。
日军在汨罗江南岸击破我军防御之后，在9月25日陆续进抵捞刀河北岸。而此时第9战区的部队因为在汨罗江南岸作战中，被日军打垮，使得薛岳想要重新部署作战非常困难。
薛岳唯一能做的，就是把最强的第74军顶到第一线来延缓日军对长沙的进攻。
在薛岳看来，如果74军能够顶住日军的猛烈进攻，那么等待增援部队到来后，战局或还有扭转的机会，谁胜谁败还是一个未知数。
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