日军即将进抵捞刀河北岸时，第11军即已开始作进攻长沙的部署。鉴于此前进攻长沙的教训，这次进攻极为谨慎，早在会战开始之前即已确定由第58师团进攻长沙，并预先进行了攻坚战术、战斗的特别训练;预定进攻岳麓山的第34师团也预先进行了各兵种协同山地攻坚战的特别训练。为保障该两师团进攻长沙时的侧背安全，还计划令其东西两路的部队先期分向浏阳、宁乡进出，使长沙陷于孤立，尔后再将该两师团投入攻击。
6月7日夜下达了先攻占长沙两侧的宁乡、浏阳，再进攻长沙的作战命令 ，日军各部队按照命令开始调整态势，西路第40师团则积极向益阳逼近。中国军事委员会于6月9日令刚到达桃江镇附近的第24集团军加入战斗。
因日军已迫抵资水，益阳危急，第九战区令第24集团军速向益阳、宁乡前进。6月10日，日军开始围攻益阳，王耀武令第100军驰援。第100军于12日拂晓进抵益阳附近，但此时益阳守军第77师已因伤亡过众于11日夜突围撤走。
第100军的第19师并不知守军已撤，于12日拂晓向益阳外围日军进攻。经激战后，日军主力转向宁乡进攻，第19师于14日收复益阳，将城防再交第77师，第19师尾随日军，南下宁乡。日军第40师团由益阳进攻宁乡时，遭到守军第73、第79军的坚强抗击。第九战区为策应宁乡之战，令第99军转移至宁乡东南的金马桥附近作为机动部队，准备适时侧击进攻宁乡的日军。
守备宁乡的部队是配属第73军的第58师。日军突破外围阵地后猛攻宁乡城于6月15日晨突入城内。两军展开激烈巷战。经反复肉搏，迄18日，守军仅余200余人，仍据守核心阵地。19日凌晨，日军第40师团转向湘乡进攻，由益阳尾追日军的第19师进入城中，与58师残部会合。
东路日军于6月8日接到军的命令后稍事整顿，于10日开始向浏阳实施夹攻，第3师团突破高开桥阵地由西、北面向城垣攻击。第13师团以一部经古港，从东面进攻城垣，主力迂回至浏阳城南。激战至14日上午，第44军守城部队突围，日军占领浏阳。
中路日军第116、第68师团分别从汨水渡河，在春华山附近强渡捞刀河，击退守卫长沙的第4军警戒部队，于14日进抵株洲及其东南的石亭附近。守军暂7师退守渌水南岸。此时日军第34师团已渡过湘江，进抵岳麓山东、北两面，第58师团已进至长沙东面。
6月16日，日军在航空兵直接支援下，对岳麓山及长沙市发动总攻，第34师团当天攻占了岳麓山东、西的虎形山和牛形山。黄昏时，日军第58师团突破第59师修械所阵地，59师撤守妙高峰、天心阁核心地带。6月17日晨，日军在航空兵掩护下向天心阁和桃花山阵地猛攻，并施放大量喷嚏性毒气。双方死伤均极众。
岳麓山方面，日军第68师团的第58旅团由第34师团右翼迂回至守军第90师左翼，猛攻燕子山阵地，第90师的第268团损伤过半，形势极为严峻。第4军决定将军主力增援岳麓山，令第59师及第102师各留1个团继续防守长沙市，其余部队于入夜时渡湘江转移至岳麓山。渡河仓促，坠江溺毙者，不下千余，加上日军在牛形山及其东面以猛烈火力侧击半渡的部队，致死伤更众。后续渡河部队被迫折返东岸。
18日晨，渡河部队到达湘江西岸时，岳麓山核心阵地已失，被迫退出岳麓山。其后复被尾击，直溃退至邵阳。留于长沙的2个团，在日军猛攻下更无法支持，一部千余，由北门冲出东山，沿途与日军战斗，退至茶陵归27集团军欧副总部收容、指挥，长沙遂于18日15时被日军占领。
日军第11军在开始向长沙发起总攻的6月16日即向各部队下达了在第九战区失守长沙、宁乡等地后，乘其混乱、尚未组织起新的防御体系之前迅速突进攻占衡阳的命令，因而预定用以攻击衡阳的第68师团及第116师团在长沙尚在激战之际即渡过浏阳河南下，在长沙弃守时已进至株洲及其以东的清江铺地区，尔后准备沿湘江两岸向南快速推进，直趋衡阳。
东路日军第3师团及第13师团占领浏阳后即继续向醴陵、萍乡前进，并准备向攸县、安仁、耒阳(耒县)推进。
湘江西岸的西路日军第40师团于19日攻占宁乡后亦继续南下湘乡，并准备向衡阳以西的永丰、渣江前进，与东路日军遥相呼应。
长沙失守后，军事委员会为保卫衡阳、阻敌深入，于6月20日对第九战区下达了作战命令 。日军通过空中、地面侦察，根据中国军队的集结、调动情况，再结合以往的一贯战法，大致上已判断出军事委员会集中兵力分由东、西两面实施夹击的战役企图，遂令东、西两路日军集结兵力，加强对醴陵、宁乡方面的作战，以掩护中路日军进攻衡阳。
东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后，仅以一部兵力继续南下。而以主力向东进攻准备实施夹击的中国军队，在刘公庙附近重创第26军，并迫使第58、第72军向东撤退，于22日占领了萍乡。日军第3师团亦于萍乡以北地区击溃了第58军。军事委员会计划的反击作战已无法实现。
西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南下，在湘乡以北击退第73、第74军，于22日攻占湘乡。守军新23师(附第92师1个营)退守石狮江、三枣。与此同时，中路日军第116师团的第133联队，亦向东进攻，配合第40师团，在湘乡东南的东台山一带击退守军第32师。至此，第40师团即暂停南进，集结兵力准备与由西北南下的第24集团军作战。