日军的进攻是从5月27日开始的。
随着前线总指挥官横山勇的一声令下，三路日军向第九战区中国守军防地齐头并进：
左路兵团（外线精锐兵团）：第3、第13师团，从崇阳沿湘、赣边境山岳地带向南猛插。
左路兵团的第二梯队为第27师团等部。
中路兵团：第68、第116师团，从岳阳地区突破中国军第20军防线，直向长沙扑来。
中路兵团的第二梯队为第58、第34师团。
右路兵团（外线兵团）：第40师团、独立步兵第106联队、独立混成第17旅团、独立第5旅团、军直辖支队、海军舰队、陆战队等部队，从洞庭湖水域向南进攻。
三路日军攻击部队经过认真准备和休整，向中国军防区气势汹汹直扑而来。
与此同时，另一支劲旅——日军步兵第218联队，由海军第2驻华舰队长江方面特别部队的航线开通队为先导，也于27日午夜从岳阳出发，准备在营田登陆，以切断中国军第27集团军的退路。
大举南下的三路日军，正面遇到抗击的中国军队，分别是第44军、第20军和第99军。
战斗开始后，日军一改往常惯用的战斗之初就猛打猛冲、先声夺人的战法，而是在强大炮火和飞机的支援下，稳步向南压迫。
同时，日军舰艇开始在新墙河口扫雷，清除水上交通障碍。
薛岳在战役开始后，以异常紧张的神情关注着战场上的每一点变化。
随着中日两军最初的交手，薛岳的内心渐渐踏实起来。日军进攻速度不快，这说明日军进攻的力量并不大，否则，按照日本军人的要求，大规模进攻，必然有一个黑云压城的势头。
薛岳始终认为，虎头蛇尾，一直是日本军队进行进攻战的致命弱点。
排除了日军大规模进攻和出乎意料的兵力的可能性之后，薛岳顿时精神大振，他为自己再次作出了正确的判断而庆幸起来。
几天来，他一直处于极度的担忧之中，他不敢确切地断言，自己一再坚持的主张是准确无误，经得起考验的，倘若事实走向了他所预计的反面，那么，自己一再地固执己见，只会给自己的前程蒙上阴影。
现在看来，一切都只是杞人忧天。
得到前线的敌情报告的当天下午，薛岳率参谋长赵子立等人组成的战斗指挥所登上了岳麓山，在这具有诗情画意的山上，他要再次重温第三次长沙会战的旧梦，他要再次大捷于天下，创造更大的辉煌。
在岳麓山指挥所，薛岳将军向所部下达了战役决战部署和作战命令：
一、第4军和战区直属炮、工兵守备长沙。
二、第27集团军以第20、第44军先在新墙河一线利用既设阵地阻击日军，然后采取逐步抵抗的态度，第20军转移到平江东北地区，第44军转移到汨罗江沿岸；第37军、第44军和第20军在湘江临资口沿汨罗江沿岸至平江东北一线阻击日军后，以右翼平江方面为轴，实行逐步抵抗，第37军、第44军除留下一部分兵力潜伏于汨罗江、捞刀河之间地区外，主力转移到平江东南附近一带的山地，而后，第20军待命向汨罗江以北攻击，断敌归路，第37军、第44军待命向捞刀河以北长沙外围攻击。
三、第30集团军王陵基，除以一部守备赣北阵地外，率主力向捞刀河上游附近地区集结，待命向长沙东北攻击。
四、第26军向浏阳前进，待命向长沙以东攻击。
五、第10军向渌水南岸进攻，待命向长沙以南攻击。
六、第24集团军王耀武率第73、第74、第29、第100军向宁乡以西前进，待命向岳麓山外围攻击。
这个部署的实质，仍然是以长沙守军吸引日军，再以外围部队对日军实行反包围，最后将日军消灭在长沙外围。
一切部署，都只是第三次长沙会战的重演，在这片山水、土地和地形上，薛岳眼中所能看到的最佳作战选择，只有他的“天炉战”。
中路日军第68、第116师团分成6股渡过新墙河，向中国军第20军阵地进攻。
杨汉域将军沉着地指挥应战。在这片狭窄的河防上，他率领着这批出川抗日多年的将士们已经驻扎好几年了，对这里的一草一木，他都熟悉得很，而且防御工事经过长时间的修整，无论日军如何猛烈进攻，他都自信可以坚守一阵子。
28、29日这两天，他率军利用新墙河南岸纵深阵地抵抗，伤亡很小。
接到薛岳的命令，他即开始组织部队向平江以东地区实施逐渐转移。
有了前次的经验之后，第20军官兵的转移紧张而有序。
但是，这时出现了出乎意料的局面，东路日军第3、第13师团此时正在通城、平江方面由东向西。中路日军第68、第116师团则在新墙河南岸由西向东，两路日军正在逐步向第20军包围过来。
这是杨汉域将军所没想到的，他急报薛岳，薛将军也大吃一惊。这时，已是30日，日军的包围态势开始形成。
横山勇的命令是30日上午11时下达的，横山勇命令：
“敌第20军主力虽据守关王桥（新墙河东南方20公里）附近进行抵抗，但以后似将向平江退却，空军部队须急袭关王桥及平江周围，协助地面作战，我军将于关王桥附近至平江间的平原地区，围歼敌第20军主力及第27集团军军部，并在汨水南岸一线作好以后进攻的准备。”
横山勇的命令下达之后，日军空军即开始对中国军第20军实施轰炸，同时，日军第68师团和第3师团也将第20军的第133师和新编第20师包围了起来，而以第116师团向南突进汨罗江。
日军两个师团形成了包围，中国军第20军主力顿时陷于危境。
杨汉域在日军攻势稍减后，召集两名师长碰了个头，研究了突围方案。从日军的攻击势头和火力判断，杨汉域已经判明日军在兵力上已占优势，这是上次会战逐次转移时所不曾有的。现在看来，在平江立足已不可能，眼前唯一的办法是突围出去，再作图谋。
杨汉域的想法得到师长们的赞同，因此，在部队作突围准备时，杨汉域接通了战区司令长官的电话。
“薛长官，我们在转移中被敌包围，2个师处在包围圈内，日军的数量不下2个师团……”
杨汉域的话音未落，薛岳打断他：“不可能的，44军和99军正面都有敌人进攻，你们正面之敌不可能有这么多！”听电话另一头的杨汉域不说话，随之传来激烈的枪炮声，还有飞机的呼啸声。薛岳想了想：“你们先组织突围……”这时，电话突然断了，再要第20军军部，通信兵报告：电话线已被炸断。
前线的战报源源不断地报来，综合各部汇报和多方情报，在湘北战场上仅已查明的日军师团旅团已达八九个之多。这时薛岳开始发现日军此番进攻的攻势确与往日不同。
当日军扫荡洞庭湖面障碍并在营田登陆的消息传来，薛岳感到事态严重了。
这时，发现汨罗江以北到处都是日军的报告送到薛岳手中，一向沉稳干练的薜岳顿时惊慌起来。那一刹那，由于终于看到自己对敌情判断失误，脑海中随之涌出的种种可怕局面，使他五内俱焚。
但他毕竟是久经战火历练的，他很快使自己镇静下来，面对已被日军打乱的部署，他想作拼死的调整。
但这时，湘北战场的局面已难于控制。
杨汉域军长率新编第20师经过一番苦战，杀出了重围，但第133师却被日军分割包围在平江山地，与军部失去了联系。
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