有了老蒋的指示，薛岳等人哪敢怠慢，督促各部队加快行军速度，务必要在发动反攻前抵达预定位置，要是因为那支部队拖累了整个行动，到时候追究其责任来，他薛某人可不会手软。
其实日军已经发觉到了不同寻常的味道，9月5日下午日军的侦察机发现在第三师团、第六师团两侧突然出现了多支支那军队在紧急行军，情报上报第十一军司令部之后，阿南惟几顿时大吃一惊，当即判断出第九战区这是打算将他打头的这两个师团一口气全吞掉。
吓出了一身冷汗的阿南立即命令第3师团后撤，同时命令第六师团务必要保证在第3师团后撤的道路，确保渡河的安全。
日军的这一举动极大地刺激了薛岳，他判断出日军这是打算逃跑，当即命令所部的第20军以及第26军立即出击，守城的第10军也全力行动，牵制住日军第三师团。很快第三师团主力以及日军驻守渡河点榔梨市附近的步兵第45联队和辎重兵第6联队就陷入了苦战。
面对第九战区3个军的同时发难，日军频频出现失误，步兵第45联队第7中队的阵地在日落后放弃，第2大队的阵地在当夜被渗透，第1大队虽然守住了阵地，但是也付出了400名士兵伤亡的代价。
而辎重兵第6联队也遭到了最为猛烈的进攻，由于是辎重部队。所以战斗力并不是很强，仅仅半天的时间就伤亡过半。不得不向第六师团师团部求援。
激战同时，辎重兵第3联队以及其他单位满载弹药和粮食，正在急速送往前线。9月5日晚23时30分该部在榔梨市附近一头撞上了国军第26军的部队。经过半个小时的激战，该部被迫在茶塘村庄附近占领阵地固守，并向第3师团求援。自顾不暇的第3师团回电“希暂时隐忍自重，千方百计顽强战斗”。
而第3师团接到后退的命令之后，立即命令所部第68联队收容了伤亡人员，然后在损失较小的第18联队的掩护下。向后撤退，然而刚撤到磨盘洲就遭到了欧震第4军的阻击。第4军乃是新增援的部队，可以说是以逸待劳，打了日军一个措手不及，激战数小时，日军伤亡颇重，步兵第18联队以及东南方向的第13联队第3大队被包围。
幸亏日军的第68联队赶来增援。而第4军阻击日军的仅仅是一个先头旅，在兵力上远远少于日军，激战几小时最终被日军突破了包围圈。
相对而言，只有第6师团的后撤相对要顺利得多。该师团主力于4日日落后，掩护兵力于22时开始后撤，虽然遭到第九战区部分炮兵射击。但是没有军队尾追，所以到5日拂晓，该师团已经经榔梨军桥集,结在浏阳河右岸地区。但是第六师团也不是一点损失也没有，该师团的野战医院和保护野战医院的一个步兵大队由于出发较晚，加上被袭击后又返回黑暗的战场中找回伤员、重新搭载、查点人员又耽误了时间。所以被第20军的一个师追上包了饺子，激战三小时。该部被全歼。
与此同时，日军第40师团继续在管家桥一带和第37军苦战。5日天明，陆军航空兵侦查通报，显示第40师团已经被完全包围，第九战区的第95师已经占领师团西侧高地。随即第十一军司令部命令第40师团立即后撤，而此时，该师团第235联队在朱邻市陷入重围，第234联队奉命在大山塘集结，也全面陷入终日的战斗。日军空军进行了支援，但是没有效果，各部队又缺乏弹药，一片混乱。
5日夜，第40师团师团部决定于深夜后突破大山塘南北敌防线，向春华山转进，并决定留下步兵第236联队以及伤员、野战医院掩护师团主力，说白了就是留一群大白菜让第九战区砍。子夜时分，第234联队终于攻占大山塘一带并完成集结，第236联队占领大山塘周围阵地并控制了师团后撤的道路。此时该联队步枪子弹每人不过10～15发，手榴弹每一份对1～2枚。第40师团于6日凌晨2时开始沿象鼻桥——象土桥——文家塅——春华山的道路后撤。
9月6日清晨，薛岳下达了追击令，这时长沙附近已无敌踪。第九战区所属的6个军27个师除留守长沙的两个师以外，其余的全部加入追击日军的行列。
9月8日，日军第6师团及第3师团陆续突出拦截线，第40师团亦从春华山东侧北撤。第99军、第37军再在麻石山、麻峰嘴等地进行截击。日军一面抵抗、一面撤退。至10日，日军退至汨罗江北岸才得以收容、整顿。第九战区的第20军、第58军、第73军、第4军、第37军和第78军尾追至汨罗江南岸后，第78军于13日从浯口渡过汨罗江，向长乐街以北实施超越追击。
9月13日，日军退至新墙河北原防地，第20军、第58军、第78军等中国军队一面寻歼汨罗江以南的残留日军，一面向新墙河以北日军阵地实施袭击。至15日，基本上恢复了会战开始前的态势，第11军指挥所也撤回汉口。
此次战役，中国方面伤亡两万五千余人，毙伤日军近六万人，俘虏13,900人，另夺得大量物资，计缴获步骑枪21138枝、轻重机枪815挺、山炮81门、无线电台34架及大量的其他军用品，取得了第三次长沙大捷。
另外由于此次战役恰逢日军偷袭珍珠港，盟军在太平洋战场节节败退。中华民国军队却在长沙取得了对日军作战的胜利，因而引起了当时世界媒体的广泛关注。美国总统罗斯福称：“盟军的胜利，全赖华军长沙大捷”，并宣布将向中国贷款5亿美元，同盟国亦决定任命蒋中正为盟军“中印缅战区”最高统帅。英国媒体也用“在此远东阴云密布之际，唯有长沙上空之云彩确切光辉夺目”的标题进行报道。苏联和西方同盟国也有大批记者和参观团来到长沙进行访问。
长沙大捷所造成的轰动不但令中国在国际上的地位有了显著的提高，另外老蒋本人的个人威望也有所提高，兴奋的老蒋随即对有功将领进行了嘉奖，第十军军长李玉堂升任27集团军副司令。原预10师师长方先觉升任第10军军长，原28团少将团长葛先才升任预10师副师长，其他战斗中获得战功的将领也得到了国军统帅部的奖励。
虽然中国战场上取得了不小的战绩，但是在南太平洋美英军队却继菲律宾战役之后再次遭到重创。一个月之前，丘吉尔告诉美国人，新加坡这座岛屿堡垒可以经受住六个月的包围。
新加坡方面的英军最高指挥官珀西瓦尔将军虽然拥有八万五千兵力固守阵地以击退敌人的进攻，他却犯了和麦克阿瑟将军同样的错误：他把他的全部力量集中在海峡岸边。他不听韦维尔将军的劝告。调来英国第十八师的部队，部署在海峡堤道东北面的开阔地上，他认为敌人最有可能向那儿发起强攻。西北海岸交给戈登.贝内特的澳大利亚军队防守，为了建立一道防线，他们正在长满浓密的热带植物的沼泽地里滚爬着。丛林阻挡了射界，妨碍了各战术据点之间的交通。
由于深信珀西瓦尔有足够的军队和军需品来抵抗迫在眉睫的日军的进攻。总督申顿.托马斯爵士宣布新加坡将要书写“帝国历史上光辉的一页”。但是由于宣传不到位，在军队积极准备防御工事的时候，平民却在阻碍战备活动，他们坚决要求军队出具“主管当局”允许在高尔夫球场上挖壕或砍伐棕榈树的书面许可书。
只有当章宜海军基地里代价高昂的新建设施开始用炸药炸掉的时候，人们才认识到所临危险的程度。
商人们立即停止向欧洲顾客赊销货物。愈来愈烈的空袭引起了无法控制的火灾。由于没有防空洞，伤亡是惨重的。城外的沟渠成了趴满苍蝇的尸体的墓穴。衣衫槛楼、醉醺醺的逃兵在街上逛荡，洗劫炸塌的房屋，眼看就要成为难民的队伍在码头排成了长蛇阵。
9月月7日晚间演出了英国在马来亚的悲剧的最后一幕，当时山下奉文将军派遣近卫师团越过海峡，占领控制着现在已被炸成废墟的章宜海军基地的入口处的那座小岛。这是为了摆脱守军防御而举行的一次佯攻，就在这当儿，日军大炮开始猛烈射击，炮声如滚滚雷霆。
日军的炮击取得了惊人的战果，到黎明时分，着火的油库上空笼罩着一层烟幕，摧毁油库是为了防止燃烧着的石油流进海峡。随着白昼的消逝，射击有条不紊地指向西面，轰垮海峡堤道周围的机枪掩体和防御工事。
丘吉尔认为可以坚守半年的新加坡，事实上只坚持了不到十天，就在长沙会战结束的第二天，1941年的9月十5日，新加坡的所有秩序崩溃了。守将珀西瓦尔按照日本人的命令，在这一天下午六点钟和他的高级军官一起，驱车前往日军战线后方位于武吉智马的福特汽车制造厂与日军指挥官山下奉文进行谈判。
作为中国战场上的败将，差一点被当做替罪羊处决了的山下奉文志得意满的在等着这些英国佬。与山下奉文的的得意不同的是，珀西瓦尔面容憔悴，布满血丝的双眼显示出他对失败的沉痛感受。
英国人的军服上积满污垢，他们在一张未铺桌布的桌子的另一边排着坐下的时候，样子实在显得可怜。当他们通过翻译得知，这不是讨论投降条件的谈判，因而更加显得不安的时候，这位圆头的日本将军霍然指着桌子上摊在他们面前的投降书，粗鲁地问道：“签还是不签？”珀西瓦尔尽管已经颓靡不振，却还没有作好接受这个最后屈辱的准备，打算起身就走。但是，同他手下的军官商量之后，他还是决心要拯救他的士兵和新加坡的公民。八时十分，在拍摄镜头的电影摄影机面前，他忍辱签署了投降书。
英军在缺水、炮弹不足的情况下，被迫无条件投降这时英军尚有8万余人。在这次战役中，日军仅以伤亡约1万人的代价，毙伤俘英军约为14万人，可谓以少胜多。就这样，英国苦心经营了二十年的“东方直布罗陀”、世界著名的第四大军港新加坡，陷入了日军之手，印度洋的门户就此打开了。
日本终于征服了傲岸于世的“狮子城”，而且砸碎了英国在远东的帝国主义势力的基础。更多的苦难和死亡还在后头！山下奉文虽然在当天晚上答应饶恕平民的性命，可是在一场后来成为惯例的行动中，许许多多的欧洲妇女和儿童被兜捕，关进章宜监狱，大批大批的华人被毫不留情地处决。盟军在东南亚仅有的一点希望也被扑灭了，威名声誉更是因为此战荡然无存。
