进攻长沙城区的鬼子第3师团被第10军狠狠拖在长沙城下。战前，薛岳曾亲自对第10军下达作战命令：“此战关系国家存亡、国际局势，必须抱着必死决心、必胜信心。薛岳若战死，以罗副长官代之，按照原定计划，围歼敌人。各总司令、军、师、团、营、连长若战死，则以副主官或资深主官代之，贻误战机者，即按革命军军法论处，绝不宽恕。”在这种指导思想下，从总司令到连排长，人人振奋杀敌，誓歼日寇于长沙城下。
第10军各部坚守城墙，依托阵地与日军反复冲杀，战斗打得异常激烈。预10师师长方先觉下令与长沙共存亡，给妻子写下了一封遗书，要求妻子在他战死后抚养儿子。若儿子长大后国土还未光复，就让儿子继承父志，继续战斗。
鬼子无法攻下长沙城，已然成为了强弩之末，于1月4日开始撤退。各路守军开始收网围歼窜入长沙外围的日军。第3师团在撤退时遭遇了74军和第4军的夹击，弹药将尽，部队陷入一片混乱，伤亡惨重，仅仅溺死的就有五百人之多，损失兵员在3000人以上。最终溃逃至第六师团处，两部一起退却，才勉强减少了伤亡。
日寇第40师团也好不到哪里去，在今井到椿桦山一带遭到我37军袭击，第236联队一名大队长和两名中队长被击毙，士兵伤亡过半。好不容易到了椿桦山，又遭到78军袭击，只得继续退却。
1月8日，鬼子第3、第6师团被我军大部队包围，阿南惟畿只得派兵来救，结果被击溃，一个大队被全歼。直到11日，这两个师团在付出惨痛代价后勉强突围，与40师团仓皇逃回新墙河，其余未逃走的部队被全部歼灭。
激战一直打到第16日，鬼子一路北撤，沿途尸横枕藉，死伤惨重。一些掉队的鬼子窜入老百姓家中，被守军士兵和村民搜杀，一些鬼子兵甚至被老百姓捉住后捆绑双手当成猪仔送去守军指挥部换钱。战后，残存的鬼子兵在回忆录中感慨：“那些扛着锄头钉耙的老百姓，一个个瘦弱无比，但皇军进村抢粮时，这些人就爆发出无穷的战斗力，队中不少人死在钉耙之下。”
第三次长沙会战，我军伤亡2.8万人，击毙鬼子联队长5人、大队长5人、中队长4人、小队长10人，共歼敌5．6万人。日军被歼5.6万人，受伤人数不下万余，此战过后鬼子两年内没敢进犯长沙，可见此战的确重创了日寇。而正是因为守军官兵浴血奋战，拼死杀敌，才取得了这样的战绩。这次大捷极大地鼓舞了全世界人民反法西斯战线的勇气，同时进一步坚定了我国人民争取抗战胜利的民族信心。
第三次长沙会战胜利结束后，国民政府为有功部队及个人颁发荣誉旗帜和荣誉勋章。第10军军长李玉堂因为指挥部队作战有功，为第三次长沙保卫战的胜利立下了头功，被授予国民政府第95号青天白日勋章，和其一同获奖的高级将领唯有第9战区司令长官薛岳而已（第94号青天白日勋章）。第10军所辖三个师因为与日军作战时勇猛绝伦，给予日军沉重打击，为整个会战的胜利立下了汗马功劳，被国民政府分别授予最高军事团体荣耀旗帜——飞虎旗。具体获旗单位为：国民革命军第10军第3师，师长周庆祥；国民革命军第10军第190师，师长朱岳；国民革命军第10军预备第10师，师长方先觉。第10军是整个抗日战争期间，唯一一个所辖三个师同时获颁飞虎旗的军级单位。
二十七集团军也为悼念阵亡将士，举行了隆重的追悼大会。会场楹柱上的墨书楹联高度评价了阵亡将士的爱国主义精神：“一马当先，新墙河上功赫赫，雄风尚在；三军披白，汩罗江畔血丹丹，虽死犹生。”。民国政府为表彰133师营长王超奎的英雄业绩，将新墙乡改为“超奎乡”，相公岭（王超奎牺牲的地方）改为“王公岭”。133师弟兄们也获得很多荣升和奖励。
二十军在第二次长沙会战后即担任新墙河防守任务，但二十军只两个师、六个团，兵力不敷分配，于是长官部拨暂编第五十四师孔荷宠部归二十军节制指挥，加强防守力量。但孔师系游击队编成，不惟武器陈旧，兵员不足，而且军纪极其涣散松弛，孔荷宠本人在该师长沙办事处打牌吃喝经常不在部队。因此，杨汉玉军长电请长官部将孔师调走，另派得力部队接替。薛长官即将五十四师调长沙附近整顿，并将孔荷宠撤职查办。而以新二十师（师长李子亮、副师长李以勋，广东人）列入二十军建制，归杨汉玉指挥调遣。
第三次长沙会战后，薛岳心窥20军精良的武器装备和强大战力，又背着杨帅向蒋电请20军副军长兼133师长夏炯升任20军军长，原军长杨汉玉调升王陵基的30集团军任副总司令。事后被杨帅得悉，于是急电驻渝办事处长李定宇到军政部查询，果然委状刚办好尚未发出。便立即与何应钦部长商量，请他将委状搁置不予公布。
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