3日，城北第190师开始遭到日军第六师团主力的猛攻。自零时到清晨，守备陈家山的该师第570团反复争夺，阵地三失三复，战斗异常激烈。及至天明，日军以九架飞机参战，轮番轰炸，陈家山一片火海。守军撤至清水塘，在屋顶上以轻重机枪进行射击，迫敌退出陈家山。日军第六师团在北面受重挫，乃将重点转向守军第3师阵地浏阳门、小吴门等处，并施放毒气燃烧弹，企图从这一带突破，经几次冲锋，同样没有得逞。随即，第六师团又转攻城北湘雅医院一带，并占领湘雅医院。推进至湘春街、兴汉门附近。在第190师强抵抗下，日军终日再也无法取得进展。

        该日，城南预备第10师阵地战斗较前更为激烈。日军第三师团凭借飞机的掩护和后续部队第四十师团大部的到达，在突破第一线阵地之后，继续向修械所、红石嘴等第二线阵地攻击。该师工兵营、特务营投入战斗，与守备此线的第30团密切配合，将敌击退。日军乃大举增援，突入修械所阵地，又被逐出。日军在遭到惨重伤亡后，改变死打硬拼的战术，先以十架飞机进行巡回轰炸，继以步兵冲击，但在第10师骑兵连的冲击下，仍然未获得丝毫进展。

        下午，双方进入相持状态，各自调整部署。入夜，预备第10师因在三天的战斗中伤亡比较严重，乃主动撤出数处据点。当日，位于宁乡益阳方面的第73军抵达长沙，除一部部署于湘江西岸之外，其主力第77师渡江进入城区，以一个团占据湘春街东西大街，加强城北及江岸的防守，以两个团置于南门口一带，加强城南的防守。

        日军连续三天攻打长沙，进展缓慢，伤亡严重，弹药粮食消耗极多，无法补充。阿南惟几接到各部报告：弹药告罄，如不能迅速补充，攻城部队岌岌可危！而第九战区部队四面八方形成包围，且迅速逼向长沙。阿南惟几在咸宁的指挥部里急得团团转，没有弹药补充，他的部队就会陷入绝境，等待着他们的将是灭顶之灾！思索再三，阿南惟几决定迅速撤兵。

        3日晚，阿南惟矶发布命令：第四十师团于4日晨开始向北攻击前进，为主力撤退开辟道路；第三、第六师团于4日晚开始由朗梨市渡捞刀河向汨罗江一线退却；第九旅团、外园支队于6日南下，接应主力撤退。

        4日，日军为了在撤退前攻下长沙，发动全线攻击。城南方面，第三师团集中7000余人，自凌晨至上午八时，反复与守军预备第10师争夺修械所、杏花园、小跳马涧、小冬瓜山一带阵地。八时以后，日军以六架飞机猛烈轰炸，并动用136高地的重炮猛烈轰击，步兵乘势冲锋。至下午一时，修械所等阵地五次失而复得。守军第28团第一营自营长以下全部战死。第30团亦伤亡殆尽，仅仅剩下五十人。但在师部的传令兵、杂务兵等支援下始终固守着小冬瓜山。城北方面，日军第六师团以5000人从拂晓至下午3时，向第190师的湘春路、周南女校等阵地发动两次进攻，并施放毒气，守军第569团和570团沉着应战，始终将敌人拒止在阵地之外。当日夜晚，日军四处放火之后，开始全线撤退。

        第九战区于1941年12月30日晚向各部下达了决战命令。指出“战区以包围歼灭进攻长沙之敌为目的，决以各兵团向长沙外围敌军，行求心攻击歼灭之。”

        自30日晚开始，在战区的统一部署下，第4军自株洲向长沙东南郊区，第79军自渡头市方面向东山、郎梨、，第26军自洞阳市方面向东沌渡，第78军自三角塘、更鼓台方面向湖迹渡，第37军自蒲塘方面向望仙桥，第20军自清江口方面向石子铺，第58军自长乐街方面向安波，第99军自三姐桥方面向洪山庙、捞刀市，第73军自河西东渡向城区，四面奔袭而来。

        1942年1月4日，第4军先抵城南，将阿弥岭、黄土岭一带日军歼灭，与城南守军第10军预备第10师会合；各部队也正在向目的地发起猛烈攻击。

        4日清晨，长沙东南部日军第四十师团先行北撤。当晚，城北第六师团抢占朗梨市一线渡口，等候城南第三师团一起北撤。第三师团在攻城期间最为猖狂，损失也最严重。及至开始撤退，被第4军阻于南郊，彻夜苦战，死伤更为严重。5日拂晓，又遭到第79军的截击，狼狈逃窜至朗梨一带，被第六师团接应进入浏阳河北岸。在日军第六、第三师团开始撤退时，第九战区长官部进一步调整了部署，决定乘敌窜入捞刀河以北汨罗江以南地区时予以聚歼。

        1942年1月5日，日军第三、第六两个师团进入朗梨市、长桥、石炭嘴地带时，遭到跟踪追击的第4、第79军的打击。第73、第26、第99军相继赶到，对敌发动第一次追击包围战，斩获甚多。其中，第26军将日军第三师团第十八联队和辎重联队分别包围在曹家坪和茶塘地区，几乎全歼两股日军。

        6日，日军在付出数千人伤亡的惨重损失之后，依靠第一飞行团50余架飞机的低空助战，才得以苦战突围。

        7日，日军第六、第三师团越过捞刀河退至青山市、福临铺地带，其接应部队第九旅团和外园支队也进抵福临铺北部。当日，蒋介石对北线的堵击作战极为重视。亲自用电话指挥，北线堵击军司令杨森也亲临战场，指挥第20军和第58军在福临铺一线，分头迎战日军第九旅团和第三师团。

        8日，第九旅团和第三师团从北侧和南侧竭力穿透，企图会合。第58军一部遭到两股日军的攻击，一场激战，阵地被击穿，第九旅团乃接应第三师团向汨罗江方面逃走。

        在此期间，当日军第六师团退到青山市一带时，第20军和第58军正在这一线张网以待，第73、第4、第26军也相继追到，将其再次包围。该敌在青山市地区左冲右突，试图突围北去，几次均未得逞。

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