對第10軍守長沙來說，嶽麓山很重要。這是長沙城外最高的山，與長沙城隔湘江相對，可以瞰制長沙城。如果以優勢炮兵佔領嶽麓山，就容易發揚火力，因此攻長沙以先攻佔嶽麓山爲宜。但這次日軍不是由湘江水上和湘江以西進攻嶽麓山，而是選擇了湘江東岸作爲進攻的重點，東岸又以妙高峰——天心閣一線最爲重要，長沙城牆早就拆除了，日軍拿下這裡，就容易接近長沙城核心。因此，第10軍僅以小部分兵力在湘江西岸和嶽麓山佔領陣地，掩護炮兵，而以主力重點放在妙高峰、天心閣、南正街方面。戰區直轄炮兵及第10軍的炮兵共約兩團，先以一部在長沙外圍第一線工事後方佔領前沿陣地，支援第一線部隊，而後再轉移到嶽麓山佔領陣地，對長沙外圍陣地及核心陣地準備阻止射擊，特別對天心閣及其東南地區準備殲滅射擊。
預備第10師一過江，就成了長沙城外首當其衝的第一線部隊。好在這方先覺也不是孬種，進入陣地後，將預備第10師在長沙南郊進行三線配備：第29團佔領金盆嶺至猴子石一線爲第一線；第28團佔領白沙嶺至修械所一帶高地爲第二線；第30團佔領第3師與預備第10師陣地連接線爲第三線，兼作師預備隊。後半夜，第29團前哨就與日軍的騎兵先鋒相遇了。
1942年元旦，日軍開始大舉進攻長沙，在離小吳門10裡遠的地方把戰鬥打響了。戰鬥打響後，方先覺對戰陣進行了緊急處置：（1）炸倒妙高峰的塔亭，消滅敵炮火的射擊目標；（2）同意長沙縣長李公甫過江，前去動員羣衆供應肉食和蔬菜(長官部原令李縣長隨預10師行動，不準過江)；（3）督戰隊開始執行任務，嚴格督令官兵奮戰。然後，他對政治部科長楊正華說：“以政治部名義向重慶軍委會電告我們的戰鬥開始情況。” 楊正華將電稿擬好後送方先覺過目。方師長看了後，又指示說：“督戰隊的督戰任務，必須認真執行，擅自後退者，就地槍決。”楊正華雖然答應了，但接下去要去殺自己人，對“當惡魔”的事兒，他的心情還是十分沉重的。因爲方師長這樣授權，完全是全軍孤注一擲的需要。在作戰前，第九戰區長官部規定：所有船隻統歸長官部控制，連重傷兵也不準撤退。第10軍李玉堂軍長則在河西沿岸一帶佈置機槍，宣佈說：“對擅自過江者，一律立即開槍射擊。”預10師方先覺也下達了命令：“擅自後退者，就地槍決！”這樣，不管戰局是勝是敗，任何人都沒了躲閃的餘地，只有在長沙城內外戰鬥到底，死也要死在那裡。
日軍主力見前頭受阻，主力直指預備第10師陣地，以排山倒海之勢向第29團攻擊。第29團從金盆嶺至猴子石的陣地有5華里長，日軍猛攻，全團傷亡過重，打到上午10時就抵抗不住了，鬼子一衝鋒，全團就崩潰了。激戰至晚，北門之敵由周家嘴，東門之敵由東屯渡渡過瀏陽河，雙方在伍家嶺、蔣家壠、九尾衝、黑石渡、五里牌、楊家山、阿彌嶺等地發生激戰，尤以五里牌戰鬥最烈。戰至午夜，中國軍隊退守開福寺、上潘家坪、唐家巷、上大壠、湖積渡、陳家山、杜家嶺、袁家嶺、窯嶺、長嶺之線，南郊第10軍的預備第10師仍固守着侯家塘、掃把塘、冬瓜山諸據點。第一天的戰鬥，日軍渡過了瀏陽河，攻佔了東郊、北郊和南郊的全部前沿陣地。但是，預備第10師的陣地還牢牢控制在手裡。
激戰到第二天，第二線在修械所一帶高地爭奪十分激烈。第28團的指揮所就在修械所下面，葛先才說：“堅決與修械所共存亡！”指揮官兵浴血而戰。早已轉移到嶽麓山上的兩團美式裝備炮兵全力支援。預10師與炮兵有專線聯繫，只要有請求，不到兩分鐘，便能打出炮彈。即使在敵機盤旋轟炸下，嶽麓山的炮兵和第10軍屬炮兵、師屬炮兵，仍可萬炮齊發。日軍一旦大隊發起衝鋒，大炮就怒吼，發發炮彈砸向他們的衝鋒隊，掀起一片片爆炸狂瀾，鬼子衝到了陣地前，步兵猛烈還擊。鬼子雖然個個扎着“武士道”的紅白布條，但“武士道”精神還是抵抗不住着密集炮火的威力，傷亡慘重之後，銳氣大挫。
在1月2日下午，日軍用白刃衝陣，第190師在北門的開福寺失守，第3師的東門袁家嶺失守。第3師反攻袁家嶺，第7團復而據之。全軍陣地徹夜派有哨兵，陳家山怎麼會輕易失守呢？原來昨日日軍第6師團攻擊北門時，受到陳家山守軍第570團的側擊，傷亡慘重，攻擊頓挫。入夜，鬼子利用夜黑一個一個匍匐潛行到山下集結，早晨突然發起攻擊，衝到山頂，佔領了陳家山。第570團團長李芝當即披衣趕去，督隊反攻，但還是因爲敵人主力帶着輕、重火器先到了山頂，下面反攻，上面居高臨下打，李芝三次反攻均沒能收復陣地。
陳家山失守後，北門的日軍第6師團與東門的第3師團連成一線。日軍爲了達到合圍長沙城的計劃，第3師團炮擊清水塘、小吳門、瀏陽門、識字嶺，第6師團槍擊油鋪街、湘雅醫院、興漢門、郵政局倉庫。嶽麓山炮兵以強大火力進行制壓，日軍炮火才漸漸呈頹勢，但步兵咄咄逼人。守湘雅醫院的第569團團長符志豪告急，第190師師長朱嶽督戰於興漢門；識字嶺告急，第3師師長周慶祥督戰於天心閣，並對團長張振國說道：“你我都是軍長提拔的，長沙守不住，軍長是挽不回來的，於公於私，我們都說不過去！”張團長立即大聲回答道：“決與陣地共存亡。”
第190師守小吳門的第568團團長陳家垕是李玉堂由軍部工兵營營長提升的，在戰場指揮若定。因爲他是黃埔軍校八期工兵科畢業的，長於陣地戰，把官兵組織起來，用輕重火力編成十字交叉火網，佈置嚴密。並且，他還在要道口砍樹枝進行堵塞，並堆放桌椅門窗封鎖，再在敵軍必經之道、必入之房，灑上糞便，臭不可聞不說，還踩上就滑倒。當各處告急時，他這裡卻從容不迫，三挫日軍的攻勢。日軍繼續猛烈攻擊，下午4時許，日軍第3師團工兵營在韭菜園一帶穿牆鑿洞，爬進了市區。位於藩后街以北的第7團立刻派兵堵擊，在小吳門內何鍵官邸的第569團某營奉令跑步參與堵擊。第3師第8團由南向北打，第190師由北向南封鎖敵後續部隊，隔斷內外之敵。衝入之敵是工兵，擅長爬屋，我軍也爬屋，鬼子上樓，我軍也上樓，雙方互爭制高點。戰鬥進入了白熱化，預備第10師師長方先覺考慮萬一第二線被突破，只能據城垣進行固守，認爲城垣前的射擊障礙必須清除，否則一旦敵人突入，要想肅清就難了，於是下令：“將妙高峰下的長街付之一炬。”然而，這一焚燒之後，日軍還是奪取了妙高峰、杜家山。日軍憑藉步兵的絕對優勢，冒死進攻，突進市區。遭我軍激烈抵抗，敵全線頓挫。
1月4日上午，日軍對長沙城發起了全面進攻，炮火命中率驚人。國貨陳列館第三層有一窗子朝北，日軍誤認爲是中國軍隊炮兵觀測所，連續三發炮彈從窗口打進去爆炸，傷亡不少官兵。中午時分，日軍端着衝鋒槍衝擊湘雅醫院，被火力擊退；接着，日軍又用各種大炮小炮和擲彈筒進行轟擊，炸得牆腳到處是洞，守軍退守興漢門。隨後，預備第10師失守回龍山，預備第10師副師長孫明瑾前去督戰；瀏陽門吃緊，第3師參謀長孫鳴玉往陣地策軍。3個師的正副師長均沒回軍部吃午飯。
下午，日軍的炮兵被第10軍嶽麓山炮兵強大火力摧毀殆盡，但嶽麓山上的炮彈還是迎着東北風，呼嘯着飛向日軍陣地，引起一片巨大的爆炸聲，震動四方。第10軍與日軍已經開始在南門逐街逐堡逐屋的爭奪戰。經過3日的激戰，第10軍傷亡約三分之一。但官兵仍在堅持戰鬥，士氣旺盛。突然，薛嶽電告李玉堂：“外圍各軍就要全面反攻了。第4軍已抵暮雲市、大託鋪，第73軍已由喬口渡過湘江，望再堅持一夜。”
半夜過後，大炮聲漸漸停息了，槍聲也由密而疏。衆人正在揣測情況時，師部電話裡傳來了長官部的通報說：“我湘北第27集團軍楊森等部，已從平江山區出擊，斷敵歸路，其他部隊均已出動，長沙地區的敵人有撤退模樣。敵如撤退，你軍無追擊任務。”