中路日军第116师团及第68师团均已突破汨罗江防线，进至捞刀河北岸的水渡河、春华山地区;守军第99师撤至三姐桥附近山区;在第116师团西侧新加入战斗的第34师团突破守军的神鼎山、新开市阵地后，到达捞刀河北岸的桥头;在第116师团与第68师团之间新投入战斗的第58师团的主力进至汨罗江以南栗山港附近，其52旅团则西进攻占了湘阴。
此时，东路日军第3师团及第13师团已分别进至浏阳西北的相公寺及浏阳以东的蒋家埠附近。当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日夜下达了如下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。
“中国派遣军总司令部”为了策应第11军作战，在日军进攻长沙期间令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队向湖南调动。
6月10日第70师团沿铁路两侧攻击前进，12日攻占龙游，以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗。第105、第145、第146师亦投入反击。但在日军驻金华的独立步兵第104大队来援后，守军退守衢州城。
6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。守军撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭，伤亡甚大。日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。
第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军，反而损失1000余人。日军占领衢州后，认为牵制任务已经完成，于27日开始撤回金华。
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。