原來日軍經過幾天的攻擊長沙，認爲想把長沙完全攻下，把第10軍完全消滅，不僅難以做到，還會因此就失去了撤退的時機。眼看中國軍隊外線主力接近長沙，日軍除了態勢不利和傷亡重大、疲勞過度外，攜帶的糧彈也不允許它再對優勢兵力作戰了，它不得不乘夜倉皇撤退。
方先覺等人聽到後，一顆懸起來的心，一下子落下來了。未過多久，前面的槍聲由稀疏而沉寂了。苦戰好幾日，官兵們十分疲勞，但士氣高漲，精神仍然抖擻。鬼子要退了，也不讓他們安寧。方先覺又派出一個營說道：“繞到敵後，弄點繳獲回來！”
5日拂曉，第10軍已完全不見敵蹤了，圓滿地完成了固守長沙的任務。早上，趙子立同薛嶽等人由嶽麓山回長沙二里牌的指揮所駐地，車過八角亭後，看見日軍遺棄屍體很多，到處是屍體和死馬。日軍不到萬不得已，是不會在戰場遺棄同伴的屍體的，這次撤退卻沒來及把屍體帶走，或者焚燒完畢。薛嶽見狀，停下車，下令說道：“把他們掩埋起來。”
駐軍和當地民衆只是草草地挖了個坑，把屍體往裡一扔，弄些泥土蓋住就了事了。後來，參謀長吳逸志從耒陽回到長沙後，聽說這麼多的屍體被掩埋了，一看這一個土堆，那一個土堆，又讓人把這些屍體全部扒出來，對部下們說道：“埋在一起，築個高臺子！”高臺子堆好了後，他勒石留念，上書“倭寇萬人螺”，旁書“陸軍中將吳逸志題”。
第九戰區發現日軍有退卻跡象時，薛嶽立即決定將他的“天爐”點火，下令以羅卓英爲南方追擊軍總司令，指揮第26軍由瀏陽以北，第73軍於瀏陽西南，第4軍於株洲以北，向北追擊；以楊森爲北方堵擊軍總司令，指揮第58、第20軍由汨羅江以南，由北向南堵擊；以王陵基爲東方截擊軍總司令，指揮第78、第37軍由平江以南，由東向西截擊；以傅仲芳爲西方截擊軍司令官，率第99軍在石子鋪以北，新市以南，向西向東截擊。於是，各路大軍向長沙外圍地區的日軍進行猛烈的“求心”攻擊。
日軍進攻長沙受挫，在退卻的路上又陷入了重圍。其中，截斷鬼子後路的，是第27集團軍守新牆河時後退在後的兩個軍——第58軍和第20軍。當初日軍向長沙進攻時，第20軍及第58軍正面閃開鬼子主力後，並沒有遠跑，而是受命在影珠山及附近古華山佔領陣地，準備截斷敵軍的歸路。
楊森總司令認爲這次日軍是有限進攻，牽動不大，於是便對各軍命令道：“總部仍在平江甲山不動。”然後，只率部分幕僚人員在影珠山後面紫泉嶺的長江源設了個指揮所。第58軍在影珠山設防，第134師在左翼古華山佔領陣地，與東面第30集團軍部隊聯絡，並急調第133師到影珠山增援。第133師剛進到福臨鋪附近，師諜報隊長蒲殿敏跑來報告說：“偵知日軍獨立第9旅團已越過汨羅江南下，接應進犯長沙北撤之敵，當晚宿營在福臨鋪。”於是，師部下令第397團夜襲福臨鋪街上之敵，只帶手槍和手榴彈；第399團分成若干小股，只帶步槍和輕機槍，夜襲住在場外村莊之敵。到了深夜，兩團夜襲部隊一齊動作，第397團首先攻入福臨鋪，炸死鬼子騎兵聯隊不少馬匹，鬼子也猝不及防，傷亡三四百人；住在場外村莊的鬼子遭遇更慘，第399團官兵操着機槍、步槍對着他們猛射，不少鬼子在睡夢中就匆匆見了閻王。日軍遭到迎頭痛擊後，才知半路上還有中國軍隊阻擊。次日拂曉，主力向第133師的陣地猛攻。
狡猾的日軍見硬攻不行，也學第133師的樣兒，晚上進行夜襲。不過，他們沒有偷襲第133師，也沒偷襲第20軍其他部隊，而是選擇了第58軍。結果，該軍魯道源新編第10師當夜就被擊潰。接着，第20軍也跟着出現問題了。第二日拂曉後，鬼子一箇中隊從第58軍陣地偷偷溜到到了影珠山後面，開始向山頂進攻。第20軍軍長楊漢域和軍部就在前山腳下，且軍部僅有一個騎兵連守護。軍長楊漢域嚴令連長楊漢烈率領騎兵連火速上山阻敵。
騎兵連剛登上山頂，鬼子也到達山頂。這夥鬼子倒不是什麼悍兵，見着中國軍隊，身子一晃，當即就退到一廟宇內，與騎兵連眼瞪眼地對峙着，也不開槍。這樣，第134師援兵趕到了，一起發起進攻。這夥鬼子利用廟宇進行頑抗，從午飯時一直打到傍晚，除一小部分逃跑外，其餘全被殲滅。雙方混戰一天，直到夜幕降臨，槍聲才逐漸稀疏。在夜間，四處亂竄的鬼子又被第133師擊斃五六十人。
日軍主力在撈刀河、汨羅江十分艱苦，前有阻兵，後有追兵，處處都有伏兵，不斷髮生戰鬥，沒有休息的時候。一路上，悽悽慘慘，行軍鍋丟了，米也沒了，飢腸轆轆，好不容易逃到一地，又找不到米，只好跑到老百姓的菜地裡挖菜吃。有時挖牆打洞，找到一點老百姓藏起來的糧食，又沒鍋煮，只好用飯盒來煮，有的連飯盒也丟了，只好用鋼盔來作炊具。白天走，沿途捱打，後來只好夜間走，卻找不到老百姓帶路；有時找到一個，不是裝聾，就是作啞，不給好好帶路，不是往山上帶，就是往中國軍隊的包圍圈裡領，氣得鬼子生氣把老百姓殺了，靠地圖和指北針定位，摸着走；有時捏下電筒看看地圖，一陣槍彈打來，手一哆嗦，在圖上的指北針掉在地上，再不敢捏電筒照了，彎着腰，摸大半天也找不到指北針。日軍真是體會到了敗軍的悽慘滋味，滿頭滿腦希望後方的援軍能奇蹟般出現。哪裡有援軍的影兒呢？南下接應的日軍獨立第9旅團在影珠山和第20軍對陣到第三日拂曉，因傷亡慘重，掉頭北竄。楊森總司令一聲令下，第20軍和第58軍撒腿追擊，哪裡攆得上這些“兔子”？只是在沿途撿了不少的輜重、馬匹和彈藥。他們趕跑了日軍援兵獨立第9旅團，從長沙撤退回來的鬼子更加無助了。
1月14日，敗殘之敵逃至汨羅江北岸大荊街、龍風橋地區。第37軍自顏家鋪，第4軍自伍公市，第73軍自新市追擊，暫編第54師自洪橋、長湖，第140師自黃沙街，自北向南堵擊，第78軍自長樂街、大荊街，自東向西截擊；第20軍、第58軍自黃谷市、關山，自西向東截擊，形成第四次追擊包圍戰，各路大軍死死圍住鬼子拼命地打，聚殲兩日兩夜，殘敵不是被斬殺，就是被俘。16日，逃出薛嶽“天爐”的殘敵驚魂失魄地跑回了新牆河北岸。第78軍追至四六房、潼溪街；第58軍追至新牆，第20軍追至榮家灣，暫54師向忠防，140師向桃林、西塘，掃蕩殘敵。日軍從長沙外圍潰逃到新牆河，被中國軍隊追擊作戰12個晝夜，途中被四次圍殲，逃回臨嶽的，僅剩萬餘人，實爲空前之慘敗。
第三次長沙會戰以確確鑿鑿的大捷而勝利結束了，這次大捷打破了“皇軍”不可戰勝的神話，也回擊了流傳的“抗日亡國”論，全國民心振奮，一片歡欣。1月9日，軍委會派魏鎮到長沙向第3師、第190師、預備第10師授民族榮譽旗，李玉堂獲二等寶鼎勳章。
戰後，第九戰區司令長官薛嶽宣佈會戰戰果爲：“擊斃敵聯隊長五，大隊長五，中隊長四，小隊長十餘，敵官兵遺屍五萬六千餘具。”這樣的大勝利是抗戰以來所沒有的。長沙城的保衛戰結束時，方先覺一清點人數，預備第10師由7000人只剩下2000人了。重慶軍委會電示方先覺：“戰場不動，等待各國駐華使節和記者參觀團前來參觀。”
在參觀團趕來前，國民政府派出的慰問團先行到達了長沙進行慰問。在預備第10師營地，他們見全師連長一級的軍官只剩兩個，驚歎守城將士浴血奮戰、不怕犧牲的氣概。有人問道：“你們怎麼打的敵人？”一上尉副營長答稱：“我們師在整訓期間，由師長主辦了劈刺訓練班，培訓全師下級軍官，由師長、參謀長等親手教給劈刺技術，學員個個技術嫺熟。對敵作戰時，衝鋒陷陣，有戰勝敵人的自信力。我們願意和敵人拼刺刀，並刺死他們。我們不怕犧牲，幾次衝鋒，敵人的損失都比我們大，所以能贏得今天的勝利。”慰問團聽了，個個豎起大拇指稱讚。