就在日军攻占洛阳的同一天，即44年5月25日，日本中国派遣军总司令官畑俊六将设在南京的前进指挥所推进到汉口，开始了战役主要阶段的湘桂作战。此役日军主力为第11集团军，司令官横山勇指挥8个师团、1个飞行团和海军一部，共20余万人，以攻占湘桂铁路（衡阳-来宾）为目标，向长沙、衡阳地区进攻。
中国第九战区司令长官薛岳指挥4个集团军（共15个军）另2个军共约40万人，在空军（飞机181架）、友邻战区支援下，以一部依托湖北通城东南山区、湖南新墙河南岸、沅江和益阳地区的既设阵地，延续第三次长沙会战之“天炉”战法节节抗击，消耗、迟滞日军；主力分别控制于浏阳、长沙、衡阳及宁乡等要地，相机歼敌。
那让哪支部队担当“炉底”呢？在正式命令第4军守长沙之前，薛岳多次对其参谋长赵子立说：“让哪个部队来守长沙呢？第4军这个部队长于攻，不善于守……”以此来暗示赵子立不要把第4军部署在长沙，但是赵子立出于全局考虑，并没有顺着薛岳的意思。因在第三次长沙会战中防守长沙，、表现英勇的第十军此时驻守在衡阳、衡山一带，原任军长李玉堂因功升任兵团司令，原任预备第十师师长方先觉升任第十军军长。再说远水不解近渴。原第4军军长欧震此时已经升任27集团军副总司令，新任第4军军长张德能。第四军在前三次长沙会战中英勇善战，表现出众，此次防守长沙担当“炉底”非第四军莫属。于是在5月28日，薛岳还是正式下达了第4军坚守长沙的命令。
第4军应该算是当时的第9战区各部中战斗很强的部队，是一个拥有三个师编制的甲种军，由于该军是薛岳的嫡系部队，装备和人员都可以获得优先补充。另外值得一提的是，第4军当时还拥有一个直属山炮营，该营装备了12门美制75毫米山炮。
第4军下辖第59师、第90师和第102师。第59师和第90师是第4军的基本部队，第102师则是后来编入的第4军一支贵州部队。根据战前数据统计，第4军的总兵力为24664人，其中第59师为7399人、第90师为7894人、第102师为6879人，第4军军直属部队为2492人。
第4军的这三个师中，以第59师的战斗力最强，军长张德能就是从第59师出来的，第90师的战斗力次之，第102师的战斗力最弱。
在日军开始进攻前，赵子立就劝薛岳向重庆要兵以补第九战区兵力的不足，薛岳不听反言语讥讽。赵子立又劝其不要与日军在长沙进行决战，也不必死守长沙，如果岳麓山守不住，长沙也就守不住了。应将第十军主力用在湘江以西的岳麓山进行防御。但薛岳铁了心要在长沙决战，坚持让第四军把两个师摆在湘江以东的长沙城区，而岳麓山只留下一个整编师。薛岳出身粤军，而第四军是粤军的老部队，又在北伐中打出了铁军的名声，所以薛岳一向非常重视对第四军的掌握和控制，一直由战区司令部直辖指挥，而未编入其它的集团军指挥序列。第三次长沙会战中，第十军在长沙的成功防御让第十军声名大振，但在常德会战中又被日军击溃，伤亡惨重，不得不退到了衡阳一带整顿补充。第十军指望不上，所以薛岳就将他心目中战区战斗力最强的第四军安排守长沙，也好让第四军再好好的大露一次脸。
前三次长沙会战日军兵力不足，所以进攻正面不足以覆盖国军的防御线，才让国军第一线部队能够在逐次抵抗之后从容转进山区隐匿，坐等日军突进之后，再从后方杀出，先破坏日军后方交通线，断绝日军后勤补给，再向长沙方向衔尾追击，在长沙的外围将日军包围之后随即歼击。这就是说，天炉战法的要点是两个方面：第一是第一线部队能够成功转入外线作战，第二个方面则是长沙能够守住。
但这次日军志在打通大陆交通线，所以是以攻城略地为目标，兼顾打击国军主力。所以，日军这次开始进攻以后，是分三路同时并举，而且都是缓缓推进，稳扎稳打。具体部署为：其东线，经浏阳河直窜长沙城南；中路，则经捞刀河从正面进攻长沙城；西线为秘密进攻，日军主力乘坐舟艇悄悄渡过洞庭湖，经益阳、宁乡进犯岳麓山炮兵阵地。三路日军主力以中路攻势最为猛烈，以便掩护西线日军攻占岳麓山。
战事与上次第三次会战似乎没有什么不同。防守新墙河的第20军予日军中路第68、第116师团以持续抗击后，转至湖南平江以东山区待机。
防守崇阳东南山区的第72军、挺进纵队对日军左路第3、第13师团逐次阻击，迟滞其行动。防守益阳的第73军抗击日军右路第40师团。
但狡猾的日军早已重兵云集并已改变战术。自5月26日，日军发起进攻之后，第9战区参战各部在战斗中就已发现日军的兵力非常强大，当时已经查明的日军师团和独立旅团的番号就多达八、九个。当时日军在第一线投入的主力师团分别是第3师团、第13师团、第34师团、第40师团、第68师团和第116师团，第二线还有第27师团和第58师团。在日军强大的攻势面前，第9战区前线各部要想站住脚根本不可能，只好不断向后撤退，在岳麓山的薛岳不久之后也把指挥部搬到了耒阳。
战术方面，日军变一路猛攻为在两翼置重兵打击薛岳的外翼部队，又使用优势的第二线兵团保持纵深阵势，对战略要点实施重点突破，逐步将国军东西两线部队向南压迫，除故意放过防守新墙河一带的国军以免得薛岳过早的勘破玄机，就再也没有给国军第一线部队留下转入外线作战的空间和机会。而且，日军吸取了上次会战时由东面进攻遭到岳麓山炮兵轰击的教训，甚至还有一部分正面战场上的日军渡过湘江，配合西线日军迂回到岳麓山后面，向岳麓山发起突然袭击，而国军的炮兵阵地在岳麓山前面，因此未能发挥出作用。
还得说赵子立总参谋长深谋远虑。虽然薛岳见大事不妙南撤，战区只剩下赵子立留在长沙，住在岳麓山。只是薛岳没有放手给他任何权力，只是说了句：“你在这里守着，我带司令部先撤耒阳。”就甩手走了。赵子立无奈，只得顶着个有名无实权的参谋长虚位头衔就位了。赵子立判断日军主攻方向在岳麓山，始初因不满薛岳的独断行事不想介入军情，却又考虑大战在即数万国军拼命沙场，生死往往系于将领指挥的一念之间。实在不忍漠视，就要求第四军军长张德能将部署在浏阳河的部队主力转到河西岳麓山来进行防御。
而第4军接到的命令是死守长沙。因此军长张德能把第4军直属部队、第59师和第102师部署在长沙城，第90师则部署在湘江以西的岳麓山上。
为了守住长沙，第9战区也是下了血本，还在岳麓山上部署了大量的炮兵部队，所有的大炮加起来总计约有50多门，炮兵的实力不可谓不强。其中最瞩目的就是炮兵第14团的一个营，该营装备有4门德制150毫米榴弹炮，是当时中国军队的大杀器。
张德能的这个部署在日军进攻长沙之前还不能说有什么错误，但是当日军真正发起进攻后，这个部署的很多问题就很快暴露出来了。