会战开始前，20军133师已收复通城，这时奉命由通城向西南急进，侧击南犯之敌。部队连夜赶到步山桥以东地区，得知日寇主力已经南下，鬼子的飞机则趁机向133师猛烈轰炸，师部亦曾中弹，师部特务连在反击中伤亡惨重。鬼子飞机是小胡子援助的“容克式”飞机，较之日寇在淞沪战场上使用的飞机要先进得多。不仅俯冲投弹与机枪扫射的命中率高，而且其凄厉的尖叫声亦真够先声夺人。此后，133师仍继续向南犯之敌衔尾急追，曾一度前进到捞刀河以北地区。

鬼子主力经福临铺南下击溃罗奇、陈沛、柏辉章等军后，越过金井、高桥继续南犯。其一部经平江至长寿街附近，杨帅总部即经搭桥退驻祖师岩山下的杨坊。

这时，战区长官部已电调驻江西上高的王耀武军火速增援浏阳阻敌南下。王耀武率本军由上高经万载进入湖南浏阳境内，连日急行军，官兵已多有疲劳。

长官部这时发现日寇骑兵先头已到黄花市。当时若令王耀武军在浏阳河构筑工事，沿河布防，尚可阻敌前进。但薛岳偏令王耀武军向黄花市跑步前进；王耀武军以廖龄奇师任前卫，奉命跑步前进，刚到浏阳前方不远，即与日寇骑兵遭遇。既不明了敌情、也不熟悉地形，部队又不及展开，士兵更喘不过气来。一遇日寇骑兵冲击，顿时次序大乱，互相践踏，全部溃败。

廖龄奇只身一人逃回零陵（廖系零陵人）既不收容部队，也不通知后面各师。因此，后续部队都与廖师一样正在跑步前进之际，即与日寇骑兵遭遇。在仓促遇敌之间，同样遭到全师溃败，无法收拾。王耀武成了光杆军长。眼见日军逼近，即与长官部派去联络的中将高参沈久成（贵州遵义人）藏匿在大路后面的森林内。幸日寇大部未搜索森林，即沿林外大道向株州前进，未作日军俘虏。（上述情况系根据沈久成亲口所谈）。

日寇进到株州后，七战区部队正由粤北乘粤汉路火车到株州增援，立即予以迎击。日寇目的已达，仍沿前进道路向湘北回窜。杨帅这时指挥二十军及第一集团军副总司令高萌愧（总司令卢汉始终未到前线）率领的新三军杨宏光、五八军孙渡（滇军部队）等部队，对日寇进行阻击、侧击与尾追，对鬼子予以重大杀伤，并缴获一批马匹枪支与弹药，一直追到新墙河南岸仍与日寇隔河对峙，恢复原态势。第二次长沙会战至此告一段落。

薛长官以杨森这次指挥二十军和滇军部队在尾追日寇战斗中打得很出色。而二十军一直追击敌人到了新墙河南岸，于是把新墙河防守任务交二十军担任，并对杨帅说：“这个任务只有第四军和二十军才能胜任”。杨帅听后也非常高兴自豪，即令二十军正式担任新墙河南岸防务。

于是，二十军军部驻水口桥，133师驻关王桥担任洞庭湖右岸由鹿角至下高桥一线防务；134师驻杨森街担任白洋田一线防务；总部由长寿街移驻平江甲山三圣庙，以便对二十军就近指挥。

廖龄奇逃回零陵后，准备组织民兵打游击，请当地县长给予援助。县长致电来阳省政府（长沙大火后薛岳兼湖南省主席，省政府移至来阳）请示。省府又转电兼主席薛岳请示。这时，王耀武因廖龄奇失踪，正电请长官部协助查询其下落。薛即电令零陵县府将廖龄奇逮捕押送南岳（因这时蒋正在南岳召开军事会议）。蒋以廖龄奇不收容部队，擅离职守，下令将其枪毙立即执行。（据杨帅会后透露，蒋当初以廖龄奇系军校毕业，恐枪毙对多数学生将领不无影响，在室内踱来踱去、迟疑不决，最后才下决心到会场正式宣布对廖处以枪毙，以肃军纪）。虽然廖龄奇失职属罪有应得，然薛的指挥失当，实是造成王耀武军团一仗未打，全军溃败的主要原因。蒋在南岳会议上固亦对薛严加斥责，而盛赞杨帅在追击日寇过程中的卓着勋绩，并予以特别嘉奖。会后并派朱家骅（浙江人，系蒋亲信，时任教育部长）到长沙，对杨帅及20军表示慰劳。

这次作战，我军由于指挥失误导致付出了相当大的代价，但是，从战略上说，则是我军的胜利，日寇并没有击溃九战区主力，自身却付出了2万多兵力的伤亡代价，阵地完全恢复到战前状态，日寇并没有达到任何战略价值。

而我第六战区却趁他处日军空虚，对宜昌之敌发动了猛攻，日寇死伤惨重，面临彻底覆灭危险。守备宜昌的13师团师团长已写下遗书准备自杀，因39师团的日军驰援才得以躲过灭顶之灾。宜昌作战也是1941年正面战场唯一一次主动发动的进攻战役，歼灭日军7000人。而这，正是第二次长沙会战造成的机会。

第二次长沙会战中，我军共计伤亡近7万人。歼灭日寇3万余人，击落飞机6架，击沉汽艇9艘?。此次战役使日寇的国际威望一落千丈，英泰晤士报称“日本抄袭华军的钳形战术，结果为华军的钳形战术所击破”。此外，这次战役还加深了日本内政外交危机，导致近卫内阁垮台，并在对美谈判中受挫。