鏖战长沙
5月27日，日俄战争胜利39周年纪念日，横山勇选择在这一天正式发动湘桂作战。黎明时分，东路日军首先发起攻击，当晚至次日，中路、西路日军也相继发起攻击。5月28日，日军第5航空军将其战斗指挥所推进到武汉。
日军对湖南的进攻来得突然又猛烈，这时候河南还在打仗，大部分人包括薛岳都大大出乎意料。直到日军突破第一道防线新墙河进至第三道防线汨罗江，还有很多人认为，这不是大规模的攻势，敌人不过骚扰骚扰，到了汨罗江就会撤退。长沙距前线只有200多里路程，20多万长沙市民有了前三次长沙大捷的经验，安静地度过了战事最初的两天。不过，从5月30日开始，长沙城里不知何故，突然骚动起来，人们一夜之间变得毫无信心了。他们发现，这次敌人兵力庞大，而且行动非常迅速，短短两三天日本人就近在眼前了。
面对日军全面进攻，薛岳发布第九战区军令：“第九战区以保卫国土、粉碎敌寇企图，于湘江东岸新墙、汨罗、捞刀河、浏阳河、渌水间，湘江西岸资水、沩水、涟水间，节节阻击，消耗敌力，置主力于两翼，在渌水、涟水北岸地区，与敌决战。”这是和前三次长沙会战几乎一模一样的部署。
不过，战斗一打响，薛岳就发现这次大不一样了。前线发现的敌人部队番号，竟有八九个师团之多。他不知道的是，日军大本营为了这次作战，一共投入了150个大队，比1938年日军攻略武汉所用140个大队整整多了10个大队。为了确保一战功成，日军大本营还专门派岛贯武治大佐接任第11军高级参谋。日军很少打苏德战场上那种动辄百万兵力级的大会战，懂得大兵团战术的军官并不多，岛贯武治大佐算得上一个。1942年，他曾经亲赴欧洲战场学习考察德、英、法、苏军作战经验，擅长大包围战、大歼灭战的理论研究和图上作业。
日军大本营原本制定的湘桂作战原则是“速战速决”。第一步，快速拿下长沙、衡阳；第二步，攻克桂林、柳州，摧毁沿途中美空军基地；第三步，与中国军队主力决战。
岛贯武治到任后，和横山勇对大本营原来的方案进行推演后认为，这次日军兵力上有绝对优势，长沙虽然坚固，但一战可下，不足为虑；相反，沿粤汉铁路和湘桂铁路进攻主线两侧国军倒应重视，西面第六战区在去年常德会战中损失惨重，无须过虑；相反，东面第九战区在湘江两翼的侧击、伏击、尾击，才是决定此战胜负的关键。他们判断，中国军队的侧击不会在长沙展开，而是会等到日军进攻衡阳时才展开。因此，横山勇和岛贯武治决定，不按照大本营“速战速决，先攻桂柳，再行决战”的原定思路来打，而是在攻克衡阳的同时，主动邀战附近中国第九战区部队，力图在这个阶段的运动战中尽量多地围歼中国军队的主力，不给后面留下隐患。
湘桂作战一打响，日军一线5个师团就并列于湘北、鄂南一线，东路最外侧的日军为第3师团和第13师团，这两个精锐野战师团像两只张开的翅膀，又像两个举起的拳头，随时准备反击中国军队从湘赣边界山地发起的侧击、伏击。中路的日军是第116师团、第68师团，他们从岳阳出发，直插长沙以南。西路日军是第40师团和独立混成第17旅团，他们南犯洞庭湖区，攻占益阳，再攻宁乡，久攻不克后又分兵向南，继续攻击湘中的湘乡、永丰，形成大范围包抄的态势。
这5个一线师团身后是3个二线师团。其中，第58师团位于湖北监利，第34师团位于湖北蒲圻，第27师团位于湖北崇阳，二线师团与一线师团之间保持约200公里的距离，一线兵团负责扫清外围，二线兵团则如影随形，接踵而至，除了参加决战，还负责扫荡残敌、修补被毁道路等任务。
日军为了这次湘桂作战可谓做足了准备。虽然一些参战部队是由新组建的独步旅团置换出来的治安师团，缺乏足够实战经验，日军用了两三个月时间来训练准备，并制定了细致的作战方案。方案甚至具体到每一次战斗的细则，包括兵力配置、作战进度、后方兵站、警备、气候、地理环境等等。
比如，为了对付薛岳的“化路为田”战术，日军用两年时间想出了应对之道。湘北丘陵上到处种满了松树，老百姓平时靠这些松枝、松针烧火取暖，所以他们在破路时舍不得砍掉这些松树，这就给日军开通道路留下了可能。日军修复道路时，改变过去主要对已被破坏道路进行修复的做法，而是另辟蹊径，通过伐倒松树垫成路基，开辟出新的应急道路来；在没有松林的平原上，则干脆用人力拖曳，将一门门重炮开进湘北战场。此外，日军还充分利用洞庭湖和湘江水运来维护后勤，掳掠了2500多艘民船运送野战重炮及炮弹。
日军这次进攻长沙的兵力达25万人，按过去两军的战力配比，第九战区至少需要有50万兵力方可与之抗衡，有近100万兵力方可取胜。但此时薛岳手里不过30万人，即便后来军委会临时凑够了近50万人马，但因为准备不足，还是陷入了极度慌乱之中。长衡会战一开始，第九战区各部一与日军接触就往后退，这是和前几次长沙会战一样的打法，只不过，这次国军不是有计划地后退，而是根本就抵挡不住。
日军5个一线师团，同时以140公里至200公里的广正面齐头并进，最外侧的两个野战师团，像两只翅膀一样阻止国军侧击，二线师团则跟在一线师团后面约200公里处，一旦一线师团黏住对手，他们马上跟进形成梯次进攻。日军用这种策略，总能形成局部兵力优势，并保持住战场的纵深。
在日军这种“广正面、波浪式”的连环攻势面前，国军根本无法像过去一样实施包围和侧击，甚至根本就站不住脚，反而被机动性及炮火占有绝对优势的日军黏住，切割包围，分别予以重创。薛岳左支右绌，还是无法稳住前线的部队。在急剧恶化的形势面前，他再也没有了死守长沙的底气，只得将长官部紧急撤到耒阳，将参谋长赵子立留在长沙防守。
5月29日，东路日军突破鄂南通城，分趋平江、浏阳、醴陵三地。6月1日，攻占平江，继续南下。第3师团攻击西北，第13师团攻击东南，两军夹击长沙附近的重镇浏阳。
6月6日，西路日军陷沅江，攻宁乡。
6月8日，中路日军渡过新墙河、捞刀河、浏阳河。
6月11日，西路日军克益阳，再击宁乡。
6月13日开始，日军飞机每天晚上都飞来长沙轰炸扫射。虽然长沙城里早就实施了灯火管制，但有不少汉奸间谍早就混进城内，趁黑夜给日军飞机点灯笼，打信号，指引投弹。
6月14日，日军攻下浏阳，占领株洲，完成对长沙合围。
6月15日，日军对长沙城及岳麓山同时发起攻击。
留在长沙的最高指挥官是第九战区参谋长赵子立，然而，他根本指挥不动第4军。
第4军，曾经是粤军王牌部队，北伐时即有“铁军”之称，粤军名将几乎都出自该军。此时第4军已半中央军化，全军兵力24664人，下辖第59师、第90师、第102师。作为薛岳的嫡系和基本部队，全军团以上军官由薛岳任命，装备和人员优先补充，战斗力不亚于中央军嫡系部队。
眼看日军即将围攻长沙，第4军军长张德能下令空城，用杉木沿湘江一根根拼成高大木栅，犹如一道密不透风的城墙，将湘江封锁得严严实实，除了开有2个仅容1个人通过的小门外，岳麓山和湘江与长沙城之间，几乎完全封闭隔离。
湘江穿长沙和岳麓山而过，张德能决定以湘江为界，各置一部。第59师、第102师及军直属部队等主力部队部署在长沙城内，第90师则部署在岳麓山上。
赵子立不认同这个部署。
他认为，守岳麓山远比守长沙城重要。湘江西岸是岳麓山，居高临下，瞰制长沙，东岸是长沙城，地势平坦，无险可守。岳麓山上有第九战区炮兵指挥部所属炮兵第3旅、第4军山炮营大炮50多门，包括德式150毫米榴弹炮。1934年，中国下血本向德国莱茵金属公司订购了24门150毫米榴弹炮，第一次拥有了凭射程优势就可压制日军的德式重炮。这24门“莱茵重炮”中的4门，此时就在岳麓山上。1942年元旦前后，第三次长沙会战打到最危险的时候，就是靠岳麓山上这4门重炮，才彻底打垮了日军。这次，美军又送来了12门全新的美制75毫米山炮，岳麓山上的炮火力量更强大了。
赵子立说，连当年太平军都知道，守城的要务是“守险不守陴”，只要守住岳麓山，凭借山上大量的德式、美式大炮，就可以居高临下控制长沙。只要岳麓山不丢，长沙城就丢不了；相反，如果岳麓山丢了，长沙城就守不住。他认为，应该将全军主力部署在易守难攻的岳麓山，而不是长沙城内。
6月16日，日军进攻长沙。他们吸取了前三次正面直攻长沙的教训，没有直接打长沙，而是采取大迂回战术，从东西两个方向进攻长沙和岳麓山。当晚，第58师团攻击长沙城，接受过山地作战训练的第34师团和第68师团一部则绕道岳麓山侧背进行攻击，他们以地、炮、空协同战术，首先集中摧毁岳麓山上的炮兵阵地。第九战区所属的炮兵第3旅和第4军部署在岳麓山的50多门火炮固定阵地及第90师的防御阵地，都是以支援东面长沙侧翼安全为目标，没想到这次日军从侧背发起了进攻，炮火一时无法掉转炮口迎敌。
赵子立马上打电话给张德能，说在湘江西岸发现大量日军，意图夺取岳麓山炮兵阵地，如果岳麓山丢了，长沙城必然守不住，但如果岳麓山能保全下来，就可以用岳麓山的炮火控制整个长沙，长沙城就丢不了。所以，当务之急是首先确保岳麓山，请张军长立即往岳麓山再调1个师的兵力。
张德能却不说话。
赵子立一再追问，张德能只能无奈地告诉他：“参谋长，实不相瞒，薛长官临走之前有交代，守城部队归他直接指挥。如果你想改变部署，请先给薛长官打电话。”
赵子立打电话给薛岳：“薛长官，我能不能指挥第4军？”
薛岳说：“你不要指挥。”
赵子立问：“那我在这里干什么？要不我回耒阳？”
薛岳又说：“你不要回来，就在那里联络。”
赵子立怒了：“联络？联络派个参谋，岂不更好？！”
电话那头薛岳摔了电话，这边赵子立也摔了电话。
张德能两头为难，拿不定主意，只好召集各师师长开会。
17日上午，张德能终于下决心调整部署，命令第59师、第102师除留1团守长沙，其余全部过江向岳麓山靠拢。
但是，临敌变阵是非常危险的。第4军之前没有渡江的打算，军部也没有掌握足够的船只，要不要渡江以及该怎么渡江，从头到尾缺乏部署，在渡江的过程中，张德能又迟疑不决，首鼠两端，使得渡江从一开始就陷入了极度混乱之中。
湘江江面宽达1000多米，从长沙城横渡湘江到岳麓山，要以湘江中间的水陆洲为中转站分两段完成，每段渡江，坐小火轮约需半个小时，坐木船则要一个小时。但是，此时第4军掌握的船只从长沙到水陆洲只有1艘小火轮，从水陆洲到西岸只有10条木船，渡江部队却多达18000余人。并且，湘江沿岸都建起了七八里长的高大的木栅墙，仅留有一两个小门可容1个人通过，仓促之间无法拆除，也无法完全破坏。
由于准备不足，协调不力，处置不当，第4军从17日晚上开始渡江，直到18日上午还没有完全渡过去。上万人在小门前排成长龙。把木栅围得水泄不通，天明之后，渡江部队不停被对岸日军机枪扫射，又遭岳麓山日军大炮轰击，部队逐渐开始动摇，很快由个别士兵溃逃，发展到全军溃散。
更要命的是，渡江部队官兵突然找不到军长张德能了。
原来，张德能当天晚上简单交代几句之后，就带着几个人自行过江了，一到对岸，精疲力尽的他倒头就睡，叮嘱任何人不得打扰，完全不知道这一夜外面发生了如此严重的状况。等他一觉醒来，天已大亮，湘江边上的局面已不可控制，上万人的军队全线崩溃，除了狼藉一地、死伤惨重的官兵，其他1万余名官兵落水的落水，溃散的溃散，都不再渡江而慌不择路地向南逃去。气急败坏的张德能急得拔出手枪，堵在溃兵的路上大喊：“都给我回去，谁跑就枪毙谁！”可是，此时的崩溃犹如雪崩，兵败如山倒，根本没有一个人搭理他，张德能毫无办法，只得跟在溃兵的后面往湘潭方向逃去。
岳麓山上的炮兵阵地遭到了日军飞机的狂轰滥炸，虽然最宝贵的4门德国莱茵大炮没有直接暴露在外，但炮兵阵地损毁严重，炮兵们在敌机轰炸扫射下完全丧失了战斗力。在敌人地、炮、空协同猛攻下，驻岳麓山的第90师很快瓦解，师长陈侃逃离战场。长沙城内第59师和第102师剩余部队除了少数兵力继续坚守外，余部也开始向城外突围。
6月20日，第4军留守部队伤亡殆尽，长沙城陷落。