1941年12月23日，日军第40师团主力进攻第20军第134师设置在新墙河北岸的阵地，双方在北岸展开激烈厮杀，第三次长沙会战由此打响。此次日军第11军指挥官仍是阿南惟几，总兵力13万。中国第九战区司令长官薛岳为雪第二次长沙会战前耻，集中30个师30万余兵力，准备以“天炉战法”与日军在长沙为中心的地带进行殊死搏杀。
国军第一道防线。新墙河第20军第133师第389团第2营，营长王超奎率领全营接连杀退日军10余次进攻，最后日军不顾战场敌我混杂，集中强大炮火朝正在厮杀的北岸阵地进行密集式炮击，王超奎营与正在缠斗的日军一起，全部被日军大炮炸死。如此防守新墙河的官兵们几乎是用血与肉筑成了一道道防线，挡住了日军的一次次进攻。激战期间，在新墙河后面的大片水田里，堆放着大量阵亡来不及掩埋的士兵尸体，尸体摞了一层又一层，田水尽赤。
日军进入新墙河后，发现大量道路被挖断，桥梁被炸毁，不得不抽调大量部队去修路。日军工兵连日连夜筑路，极大延缓了进攻步伐。一向以行军速度快著称的日军，在新墙河到汨罗江南岸，总共花了7天时间，付出极大的伤亡代价之后才抵达。
这一切都在薛岳的计划之中。此役战法简单说就是八个字：“争夺外线，后退决战。”所谓争夺外线，就是在日军进攻的时候不死顶，而是且战且退，逐步转入外线，放日军继续往长沙附近前进，后退决战则是诱敌深入，让日军不断深入，拉长日军的补给线，再让外线部队袭扰、破坏日军本来就脆弱的补给线，让前线日军陷入困境。
按此战法，国军参战各部在开始的新墙河一线做足“死战不退”功课之后，在汨罗江一带地区转移比较快，日军进展迅速，沿途没有能够抓住国军主力兵团进行打击，所以阿南维几，包括参战日军各级指挥官都觉得有点不太甘心。迫近长沙，又感觉国军兵力单薄，抵抗并不猛烈，就想一举打下长沙然后撤退，也算功德圆满。只是实际上此时日军前线物资供应已经十分紧张，转入外线的国军正在千方百计地破坏和袭扰日军的交通线，前线日军的粮食、弹药补给都已经十分困难，显然已经是强弩之末。
1942年1月1日，日军第3师团窜入浏阳河。
而此次被留下坚守长沙、充当薛岳所谓的“炉膛”的是第十军。还是在第二次长沙会战时薛岳让第十军守长沙。由于战场上瞬息万变，薛岳又让第十军开赴高桥、金井、福临铺一线构筑防御工事并阻击敌军。日军用第3师团主力、第6师团和第40师团各一部对李玉堂部发起进攻，第十军损失惨重。109副师长赖传湘就是在这次战斗中殉国，于是李玉堂让第十军撤往长沙外围的东山、浏阳河、捞刀河一线构筑工事，阻击日军四昼夜。后援军到来，第十军与兄弟部队反攻敌军，并将其打退，成功粉碎了日军第二次占领长沙的梦想。但在战后，李玉堂因丢失金井被撤职，但第十军全体官兵不干了，认为在此次会战中第十军没功劳也有苦劳，不嘉奖就罢了，怎么还把我们的军长撤职了，这样一来第十军全体官兵纷纷请愿，强烈要求军委会免于对李玉堂的裁处。薛岳也知第十军战事失利责任在己而非李玉堂，在日军集结重兵发动第三次长沙会战之际，又让李玉堂继续指挥第十军，并责成其担任守长沙之重任。
薛岳曾亲自对防守长沙的第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，死守到底。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。”
预备第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。若儿子长大后中国还未光复，就让儿子继承父志，继续战斗。
面对敌军第3师团、第6师团和第40师团三个师团进攻，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，日军接连攻击三天，无法攻下长沙城。日军进攻受挫，前线指挥官更加恼羞成怒而逞强斗狠，在飞机坦克协同作战下，日军终于攻入长沙城，但李玉堂让部队化整为零，与敌军展开激烈巷战，直到增援部队赶往长沙一起聚歼这股日军。
第十军的顽强防守让国军外线部队能够更加从容的调动和部署，促成了第三次长沙保卫战的胜利。
战斗中，由于日方的后方补给线被切断，日军的弹药渐渐不足，而这份情报又随着一具日军军官的尸体落入中国军队的手中。薛岳看到此情报之后，立即下令发动全线反攻，他称之为“一纸情报胜过万挺机枪”。
1月4日，各路守军开始收网围歼窜入长沙外围的日军。日军战线崩溃。激战一直打到第16日，日军一路北撤，沿途尸横枕藉，死伤惨重。一些掉队的日本兵窜入老百姓家中，被守军士兵和村民搜杀，一些日本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。
在此战中，薛岳依靠了人民的力量，人民战争的威力得到了体现。在大战开始前，薛岳让人晓喻湘北各村各户将水田里蓄满水，将田里的泥巴泡成烂泥，又将各处要道破坏、埋设地雷和暗器。在村里，各家各户派人参加民工队，负责运输物资和抢救伤员，各村各寨设置岗哨，发现日军后就迅速联络，将情报送到指挥部。当时参加破坏道路的民众多达20万人，参加运输队、抢救队和刺探军情的人则不计其数。日军窜入长沙外围后，各村各户将家中粮食、牲口转移他处。日军在长沙被围困时，很多士兵窜入村庄寻找食物，却找不到半粒粮食。有一个日本兵还窜入农民家中烧毛豆吃，当场被村民用锄头镰刀砍死。曾有一股败退的鬼子窜入童溪街抢粮。当地民众手持锄头钉耙冲去，将鬼子砍尽杀绝，将被抢走的粮食再度运回。
而在会战中，湖南人民节衣缩食，给战斗在第一线的部队提供了大量食物。据《中国抗日战争史》记载：“当时长乐、含浦、望岳和吴桐四个乡的农民，给防守长沙的第10军送来了1000只鸡，10万斤肉。”这些物资极大地支援了第10军坚守长沙，一些老百姓甚至冒着枪林弹雨将食物送上城楼，为饿着肚子激战了数天的守军官兵解决了后顾之忧。
此役第10军一战成名，赢得“泰山军”的荣誉称号，也让第十军声名鹊起，成为声名显赫的“泰山军”。而李玉堂因战绩卓著被提升为第27集团军副总司令，第十军由方先觉任军长。
第三次长沙会战，日军被歼5.6万人，这个数据虽然有夸大的成分，但日军在此战中被歼甚惨是不争的事实。日军死伤人数不下万余。
日军11军司令阿南维几切腹自杀。不过不是在此即，而是在1945年的8月15日，在其三宅坂官邸。
此战过后日军两年不敢进犯长沙，可见此战的确重创了日军。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。
第三次长沙会战时间紧接太平洋战争而爆发，当时日军一路势如破竹，同盟国军队接连败北。在此形势下，国民党军队取得了第三次长沙会战的胜利，这不仅对中国国内，对同盟国来说也是意义重大。正因如此，这次会战的胜利引起了盟国、特别是英、美的广泛关注。于是在《泰晤士报》上就出现了这样一条报道，“在全世界各个战线一片阴霾之际，中国却给我们带来了黎明的曙光。”还在第三次长沙会战进行过程中的1942年1月1日，世界上26个反法西斯的国家在美国华盛顿集会，发表联合宣言。中国与美国、英国、苏联作为四大强国，领衔在宣言上签字。1月3日，盟国成立中国战区盟军统帅部，经罗斯福提名，由蒋介石出任盟军统帅部最高统帅，统一指挥在中国的美国军队以及东南亚越南、泰国的军队对日作战。罗斯福在第三次长沙大捷后的第22天给蒋介石发来了一份热情洋溢的贺电，同时宣布再次向中国提供5亿美元的贷款。其后，他并以他夫人的名义，邀请蒋介石夫人宋美龄访问美国，在美国国会发表演说。他还通过他的代表，驻华美军司令官、中国战区参谋长史迪威，授予第9战区司令长官、第三次长沙会战的具体组织者、指挥者薛岳一枚美国勋章。另外，第三次长沙会战胜利后不久，美、英政府便主动向中国提出，要废除西方列强与中国历届政府签订的一系列不平等条约，归还上海、厦门等地的公共租界，取消领事裁判权。
中国的自尊、自强，赢得了世界上其他国家和民族的尊重与平等对待。