9月18日，日军第18军司令官冈村宁次亲自率领部队向新墙河地区进攻。薛长官亲自带领60军和52军应战。双方展开激烈交火。冈村宁次见久攻不下，恼羞成怒，不顾国际公约，向我军阵地投放毒气弹，并派遣轰炸机空袭。

面对日军化武和空袭，薛长官没有下令固守新墙河防线，而是在消耗敌人后，命令我军主动撤退，诱敌深入。我52军展开有序撤退，日寇上当追击。日军在陌生的地形中行进艰难，后勤补给不继。而我军熟悉当地环境，可以隐蔽移动，进退自如。我军依托有利地形，对日军展开局部战役，采取逐层消耗再歼灭的方式，争取战场的主动权。

日军用于进攻鄂南的是第33师团。对于这个师团的使用，冈村宁次顾虑重重。该师团1939年2月在日本仙台编成，本来是作为警备部队的三单位制师团，4月初才到达汉口加入第11军作战序列。由于33师团刚刚编入11军战斗序列，未参加过实战，其战斗力究竟如何，冈村宁次自己也没底。同时他对这个师团的师团长甘粕重太郎的指挥水平也心存疑虑。甘粕重太郎是陆军大学第29期的毕业生，虽然担任过第11师团参谋长、步兵第15联队长、步兵第9旅团长等军职，但因长期在军事院校里从事教育工作，其指挥能力尚未经过实战的检验。因此，冈村惟恐重蹈去年在南浔线投人新建的第106师团而遭惨败的覆辙，考虑再三后，决定把33师团放在中路，以便可以及时得到两翼策应。

此时第20军正担负通城、通山以南的守备任务，其防区正是日军第33师团的主要进攻目标。

9月22日，日军第33师团先头部队在通城东南地区发起猛攻，第134师在师长杨干才的指挥下奋起反击，在南楼岭至苦竹岭一线成功挡住日军。24日，日寇后续部队抵达，并攻占桃树港，迫使第134师401团退守金凤山至福石岭一线。26日福石岭又告失守。

为扭转局面，第134师师长杨干才命预备队第402团投入作战。402团长向文彬率部在白沙岭阻击日军两昼夜，并在击毙的一名日寇军官身上缴获作战地图和作战计划一份，发现驻武汉的冈村宁次中支派遣军(代号为吕集团军)投下的地图，图上标出这次进攻指定日军33师团由北向南，从南楼岭攻白沙岭，再攻龙门镇后转向长沙进攻，企图以这支部队迂回从侧背包围长沙。

杨帅掌握了这一新情况，即日寇新增加来三十三师团将作为主力向我长沙外围进袭，立即将原来由西向东阻击敌人的计划，改变为由南向北防守敌人进攻的部署。并大胆派出杨志的特战营穿插到33师团防线后方袭击。

当晚杨志率特战营绕出白沙岭潜入到33师团阵线后方，经过侦察发现了33师团甘粕重太郎的师部。当晚杨志兵分成三路，从三个方向发起袭击。杨志亲率一连从正面袭击33师团师部，二连从左侧袭击，三连从右侧袭击。杨志率一连悄悄潜近，高杆龙率侦察排干掉鬼子哨兵后，全连进入村庄，将至师团指挥部时，被鬼子巡逻哨发现，不得已发起强攻。同时，左右方向的二连、三连也发起了攻击。弟兄们以强大的火力推进，打得鬼子落花流水、不断后撤。而33师团长甘粕重太郎，这个学院派的将军彻底慌了神，连军服都没穿好，就急忙在卫兵的护卫下仓惶而逃。

经过当夜的袭击，甘粕重太郎惊魂不定，下令33师团后撤了十多公里，迟迟不敢再进攻。

其余各方向的日寇部队，在我军各部队一层又一层的阻击、防守、再撤退的运动战术中，被进一步引诱深入包围圈内。此时，我军在侧翼和后方预置的部队开始发动了，对进犯之敌进行了猛烈侧击和夜袭。乘日寇空军夜间不能活动时，大举攻击，主要攻其增援，破其运输补给，毁坏铁道和公路交通，使其先头部队得不到粮秣弹药补充，以致敌寇的坦克、炮兵以及机械化部队无法活动，形成被腰击而处于瓮中之势；因而迫使进犯日寇不得不仓惶向北撤退。

在日寇撤退途中，我军各部队展开全力进攻，其中20军最为突出，击毙敌人无数，活俘的也不少，缴获日寇战车大炮数门，军马二十余匹，可编骑兵一个排。日寇伤亡惨重，遗尸遍野，狼狈地撤回原来新墙河以北及鄂南原来的驻地。在这次会战中，20军表现杰出，杨帅指挥卓越，被升为第九战区副司令长官（仍兼第二十七集团总司令）。

第一次长沙会战，我军伤亡5.9万余人，日寇伤亡近3万多人，且损失了大批的战车火炮及各类物资。薛岳将军坚定的抗战信念和机智的指挥水平，以及我军将士们的英勇敢战，是我军摧毁日寇战斗信心的开始，自此之后，日寇对我军再无必胜之心。