侵略戰爭使得日本本土政壇更加瘋狂，近衛內閣不堪戰爭“重用”而垮了臺，“戰爭狂人”東條英機激流勇上，出任新首相，隨後就決定對美國、英國和荷蘭開戰。自日軍偷襲美軍在太平洋的軍事基地——珍珠港，發動了太平洋戰爭。爲了牽制中國軍隊並策應日軍佔領香港和南洋各地，侵佔華中的第11軍司令官阿南惟畿決定再次進攻長沙，打通粵漢線，策應日軍在南部的行動。
僅隔兩個多月的時間，阿南惟畿又要進犯長沙了。行動之急迫，除了上面的大戰略外，他還得到情報說：“中國軍隊守長沙的主力第10軍和第74軍已調往他處。”見長沙守軍勢力薄弱，有機可乘，因此企圖一舉攻佔長沙，再向南進，他立即集結第3、6、34、40師團全部及獨立第14、第18旅團和炮兵，工兵、空軍等，合計約12萬人，準備於1942年元旦佔領長沙。
阿南惟畿的這個計劃很詭秘，一般人很難知道。但在11月份第九戰區就發現了日軍的破綻。11月下旬，吳逸志就接到在日軍後方的情報人員密報：“贛北日軍又有減少，且又縮小陣地，連西山車站地區都放棄了，贛江以西、修水以南僅守生米街、牛行、西山、安義、靖安、灘溪等據點。”最初，薛嶽對這情報很懷疑，他有些疑惑的說道：“第二次長沙會戰後才兩個月，難道日軍又要進攻嗎？不太可能吧。”但吳逸志報告說：“前方部隊報告：湘北日軍增加。”此時的薛嶽變得更加的疑惑了，他開口問道：“那爲什麼湘北日軍還增加呢？”吳逸志回答道：“阿南惟畿的兵力愈少，愈要以攻爲守，因此很可能調兵對我們進行掃蕩，以消除我們而後進攻的威脅。”這回薛嶽總算是明白了過來，他贊同的說道：“這很有可能。”於是，薛嶽決定通令各部隊，迅速完成作戰準備。
等薛嶽下完命令後，吳逸志又問道：“那麼這次的作戰方式呢，是不是還用老辦法？”薛嶽看了吳逸志一眼，然後自信的說道：“對於這次作戰，我們的方針仍是誘敵深入後進行決戰。敵進攻時，以一部兵力由第一線開始逐次抵抗，隨時保持我軍於外線，俟敵進入我預定決戰地區時，以全力開始總反攻，包圍敵軍而殲滅之。”薛嶽雖沒明說，但吳逸志一聽就知，還是老套路——“天爐戰法”。兩人又決定在長沙外圍與敵決戰時重點保持於長沙以東地區。迎敵的對策定下來了。
此後不久，阿南惟畿悍然對長沙發動了第三次進攻。日軍一如既往開始進攻由新牆河口到南江橋的正面，重點是左翼的第20軍、第58軍在新牆河南岸及南江橋陣地。雙方激戰兩天一夜，日軍攻打不下守軍的陣地，拼命打燃燒彈，先後摧毀了守軍據點四周的鹿砦障礙，官兵被燃燒彈燒傷，過半人員負了傷。第三日下午，日軍終於突破了新牆河防線，主力向南突進。
在一度拒阻日軍後，第20軍在軍長楊漢域和副軍長夏炯的率領下一面逐次抵抗，一面向梅仙、平江以東地區轉移；第58軍一面逐次抵抗，一面向長樂街——浯口——平江——三眼橋的汨羅江南岸一線轉移。這時第10軍駐在衡陽迤東地區，在茶山坳附近整訓。薛嶽令該軍防守長沙，以一個師守嶽麓山陣地，兩個師守長沙近郊，並且嚴令：“情況緊急，不得有誤。”
第10軍軍長李玉堂雖被撤職，但新軍長一直沒來接任，因此仍留在軍部，實際上擔任全軍指揮。薛嶽下令後，可李玉堂名不正言不順，想挑擔子又顧慮重重，正在左右爲難時，蔣介石從重慶急電第10軍，令李玉堂繼續指揮，率第10軍固守長沙，戴罪立功。李玉堂倒是一鐵血漢子，臨危受命，決心以待罪之身洗刷上次的恥辱。隨即，下令全軍緊急拔營向長沙進發。進駐長沙後，預備第10師守嶽麓山陣地，第3師和第190師守長沙近郊。李玉堂決心重新做人，要打出威風來了，誰知薛嶽卻還是老眼光看人，生怕他像上次那樣砸了自己的鍋，先下令在長沙的炮兵和工兵均歸李玉堂指揮——進行鼓勵；接着，派長官部趙子立前去第10軍督促他速將長沙工事再行加強——進行監工。李玉堂明知薛嶽不放心，但是“戴罪”的敗將，只能一戰翻身，如果這一次再丟了長沙，不僅官職沒了，而且極可能被蔣介石數罪併罰，成爲“以身試法”的人，因此啥都不敢怠慢，對薛嶽的一切指令無一不去精心落實。手下師長、團長也都知道這一仗如果敗了，李玉堂軍長職務肯定沒了，誰要是像以前那樣馬馬虎虎，或者不肯賣力，他肯定會定斬不饒，因此，全軍上下都憋着一口氣，悶頭準備戰事。
長沙城的工事自1939年以來就開始構築，雖然築了好幾年，但守軍偷工減料，當官的只知貪污，從來就不重視，也不認真，因此築了一些，並不堅固，大多是豆腐渣工程。第一、第二次長沙會戰時，日軍都沒攻長沙城，這一次薛嶽的“天爐戰法”要誘致日軍進攻長沙城，然後圍而攻之，因此堅固工事是守住長沙城的關鍵之一。李玉堂不敢發牢騷，更不敢鬆懈，立即督令軍民一起動手，緊急修築禦敵工事。新牆河戰鬥打響後，長沙的工事修築更是緊張起來了，軍民不分晝夜地施工。李玉堂也整天吃住在工地上，餓了就啃饅頭，喝點水，積極督修工事，準備應戰。
在日軍到達城下之前，偌大的工事終於築起來了。守城工事採取地堡式，西面依託湘江，對北、對東、對南成一個半圓形，工事外圍由麻園嶺——朱家花園——杜家山——二里牌——黃土嶺——妙高峰——猴子石之線，一層一層地向裡構築，愈向城裡強度愈增加，以中山路西段——黃興路——八角亭——南正街——坡子街以南一線上的核心工事爲最密最強。長沙城內，由北向南、由東向西、由南向北的街道口都裝上了鐵絲網和拒馬，各街道小巷都設有地堡，各稍微大一點的建築物內都有火力點。湘江水路是進城的一個突破口，李玉堂不僅把長沙以北的水路全封鎖了，連長沙以南的水路也佈置水雷進行封鎖了。整個長沙城成了一個處處設防，到處是地堡、鐵絲網、拒馬和機槍口的城市，四處藏着殺機，像一隻要噬人的猛虎張開了血盆大口，就等日軍的到來了。
這時，第37軍、第58軍守備着汨羅江南岸，第20軍在平江及平江東北，整個防禦陣地對北略成反八字形，把南下日軍一步步往薛嶽的“天爐”裡迎。日軍攻擊的正面在汨羅至平江之間，攻擊重點保持在長樂街方面。日軍憑藉武器優勢大舉進攻，第20軍節節抵抗，向東退卻，然後讓開了平江，躲進了大山；第58軍、第37軍一面逐次抵抗，一面以主力向高橋、路口畲以東轉移，同時一部潛伏在汨羅江、撈刀河之間的偏僻地區。爲了讓從四面八方向長沙前進的各路大軍能適時地統一參加決戰，薛嶽責令長官部對他們的行動予以統制，規定近者不得先到，遠者不得遲到。在薛嶽的嚴令和指揮下，所屬部隊從長沙兩翼向敵側方迂迴，進展很快。
日軍如狼奔豕突，由湘江至原長沙、平江公路洶涌南下，跑在最前面的是一個騎兵旅，後跟着3個師團，按照第二次進攻長沙老路向前疾進。這一日，日軍主力也打到了長沙附近。日軍第3師團進至東屯渡，沿鐵路線渡過撈刀河，向長沙市區逼近；第6師團則一馬當先進入了槊梨市，抵達長沙東門外；第40師團抵至金井，企圖渡過瀏陽河，由長沙南門外進攻市區。
這次日軍從新牆河到長沙城下，經過了約一個星期的戰鬥。但在激戰中，他們的傷亡和疲勞都比中國軍隊大得多。而中國軍隊呢，雖然也在新牆河、汨羅江打了幾場激戰，但薛嶽都沒用上主力，因此，主力仍保持着較強的實力，各路大軍正向着薛嶽“天爐戰法”的決戰預定地區急進。
薛嶽的“天爐戰法”以長沙城爲誘餌，誘使日軍攻打長沙城而使得各路大軍圍而殲之。其中，既要保住長沙城不被日軍打進去蹂躪、破壞，又要在城下圍住它，負責守住長沙城的第10軍責任比誰都大。長沙誘敵和守城的重任落在第10軍身上。第九戰區最高長官薛嶽也決心與他們一起戰鬥到底。引誘日軍攻打長沙從而達到圍而殲之的目的，其實是薛嶽的一着險棋。如果第10軍沒守住，丟失了長沙城，薛嶽本人也難辭其咎。但他藝高膽大，儘管風險巨大，還是下這個賭注。