這時湖南前線的作戰陷入危機狀態，蔣介石無法把擁有美式裝備以及員額充足的八個軍部隊，調回東線作戰，而眼睜睜地看著自己手下戰力不足的部隊，在湖南遭到致命的打擊。事實上，日軍指揮官橫山勇最爲擔心的，就是蔣介石會把這八個軍調回，在湖南與日軍決戰。横山也擔心美軍會調動一切的空軍，支援華軍作戰，對自己脆弱的補給線進行全面切斷的空中攻擊。
這時候，拼命爲華軍出力的，還是指揮美軍第十四航空隊的陳納德將軍。他設法透過管道向華盛頓反眏中國戰區所面臨的危機，以及史迪威利用機會奪權的真相，無奈當時華盛頓與全球的注意力，都集中在諾曼地登陸戰的勝利，因而對於中國戰區的惡化逆轉，產生極大的輕視與厭惡。西方主流意見於是認定：『果然是史迪威有遠見，早就說蔣介石的華軍不堪一擊，現在得到證明了吧！不僅如此，還要連累美軍替蔣介石收拾殘局。』
這裡也不能不提陳納德的美軍第十四航空隊，在這場逆勢作戰中，奮不顧身的英勇表現。儘管史迪威把能夠動用支援湖南戰場的空軍戰機，縮小到只有一百五十架，而且在油、彈的供應上，盡可能做到百般刁難，同時湖南的天候又豪雨不斷，影響到戰機出擊，但是陳納德仍然想盡一切的辦法，率領部屬出動戰機，全力攻擊日軍的補給線與陣地，爲支援華軍作戰爭取更多的油彈與補給品。美機飛行員平均每天出擊四次，中間休息的時間只夠吃飯與聽取攻擊目標的簡報而已，戰機沿著湘江的航道低飛攻擊日軍，甚至低到連螺旋槳都濺起水花；美軍二十三大隊的四個中隊長以及半數的飛行員被擊落。
而橫山勇還設法進行大規模的欺敵行動，有意無意地透露出日軍ｈtｔｐs://ｍ.ｈｅtｕｂooｋ•ｃoｍ.coｍ的作戰目標，有可能是沿著長江西上，進攻重慶，或是準備再度進攻常德。由於橫山對於這兩個戰略要點的攻擊，都有實戰的經驗，所以也讓重慶方面不得不加以重視。蔣介石保留衛戍部隊放在第六戰區，做爲保衛重慶的準備，而沒有全力支援第九戰區薛岳的部隊。
接著在中路的日軍第六八與一一六師團，分成六路強渡新墙河，第三四與五八師團隨後跟進，以壓倒性的優勢兵力，連續喂破華軍的層層防線，直撲長沙；第四十師團與五、十七旅團，渡過洞庭湖，沿湘江的西岸，進攻長沙的西方。日軍這樣全面的攻勢，使得華軍在湖南的陣地，全都遭到日軍猛烈的攻擊，薛岳在長沙東南所佈署的反擊部隊，更是首先陷在日軍的多重包圍攻勢之中，天爐作戰計劃就完全失去了應變的能力，湖南成爲日軍全面縱橫的戰場。
此時守城的華軍與敵軍的兵力懸殊，制高點又遭日軍攻佔，外圍援軍更已被日軍主力猛攻而自顧不暇，因此日軍終於在六月十八日攻下長沙，而打破了華軍過去長沙作戰不敗的記錄。蔣介石在情急之下，下令槍決突圍而出的長沙第四軍軍長張德能，但是仍然無法挽回湖南戰局潰敗的發展。
橫山勇決定在五月二十六日，也就是日軍在對馬海峽大破俄羅斯「波羅的海艦隊」的歷史光榮記念日，在湖南發動對華軍全面的攻勢作戰。裝備充足的三十六萬日軍，在優勢火力的支援之下，分成七路撲向華軍陣地，來勢之凶猛，遠遠超過華軍的預估。日軍精銳的第三、十三師團以及二十七師團，從左翼（東線）先攻，一舉深入地插|進平江，再突進瀏陽，直搗薛岳預控的反擊部隊基地。
但是蔣介石https://ｗｗｗ.ｈｅｔuｂook.ｃom.com仍然認爲，日軍以打通粤漢鐵路的戰略爲主，因此特別派副總參謀長白崇禧，前往第九戰區，協助薛岳佈陣對抗，但是由於「長沙之虎」薛岳，已經在防衛長沙的作戰上，三戰三勝，對於防衛長沙，有著相當的自信與執著。他相信史迪威的美軍判斷，認爲日軍的兵力有限，不可能對長沙進行更大規模的作戰，同時也認爲自己的天爐作戰，已經是天衣無縫，所以決定以不變應萬變，決定仍將在長沙決戰，再次合圍進攻的日軍。
圖 34.2 日軍一號作戰計畫長衡會戰
可是薛岳手上的部隊，也已經發生員額與裝備不足的問題。這不僅是當時華軍普遍的現象，特別是第九戰區的軍隊，常德會戰之後，戰力都還沒有恢復，加上最信任薛岳的上司陳誠，已經因爲史迪威事件的影響而失去大權。在政潮沖擊之下，蔣介石又重用何應欽來防止軍中將領的「叛變」，而何應欽與薛岳以及粤系將領，本來就有不愉快的經驗，薛岳實際上又功高震主、鋒芒畢露，何對薛當然相當的「感冒」，更加要給薛岳一些不方便。於是在大戰前夕，第九戰區的兵員與補給，不但沒有優先得到補充，反而是能拖就拖。從客觀的角度來看，一支精實、充裕的日軍與虛弱內鬥的華軍對陣，雙方的勝負，在未戰之前，早已有了定數。白崇禧曾經建議薛岳，考慮將決戰南移到衡陽，以拉長日軍的補給線，加強華軍在衡陽的防務，但是薛岳沒有完全接受，仍然決定在長沙與日軍對決。
但是這兩個擔心都沒有發生。因爲中國戰區的參謀長史迪威，極力阻止中國戰區進行反擊，並且抬出羅斯福總統與馬歇爾助陣，主張當前反敗爲勝的要務是，由史迪威接掌華軍指揮m•hｅtubooｋ.cｏm•ｃｏm權，最好能夠順帶推翻蔣介石政權。由於華軍接連在河南與湖南戰場的慘敗，史氏又早已在重慶政府中，進行各種摻沙子、挖牆腳工作，使得前線部隊急於等待後方明確的指揮，以及派軍援助之時，後方卻陷入全面的權力鬥爭、指揮系統混亂、以及後勤失控的狀況。
這時候在緬甸原始叢林指揮作戰的史迪威，在看到華軍全線潰敗之後，才「想起」了他還是中國戰區參謀長。他於六月八日突然出現在重慶，幸災樂禍地宣佈『中國陷入危機』，接著立刻派員督導美軍從桂林的訓練中心進行撤退，同時不斷設法干預陳納德的空軍後勤支援，並且開始推動接掌華軍指揮權，以及尋找可以推翻蔣介石軍政領袖的活動。史迪威完全不管這個中國戰區作戰慘敗的災禍，是誰做出嚴重錯誤的情報判斷，以及致命的錯誤作戰佈署？到底是誰仍在制肘空軍出擊日軍的任務？史迪威居然認爲，只有他接掌華軍的指揮權，才能在中國地區擊敗日軍，而其他任何對於戰場的補救與支援措施，根本無濟於事。
橫山的作戰計劃是，利用五個師團，做爲第一線兵力，三個師團爲第二線機動兵力，進行全方位的南攻。而將主力放在左翼的攻擊，沿著湘、贛交界南下，大迂迴長沙的東南方，先攻佔瀏陽，再包抄長沙後側。橫山判斷薛岳的主力就是在此待命出擊，因此日軍的佈陣，以打擊長沙外圍的華軍爲主攻對象，然後再進攻長沙城。日軍中路的攻擊則是依照傳統的進攻長沙模式，沿粤漢鐵路南下，擊破華軍正面防線直逼長沙hetubook.com.com。另外派軍由洞庭湖南下，包抄湘江西岸，從側後方進攻長沙的制高點嶽麓山陣地。由於横山掌控絕對充裕的作戰兵力，因此決定在日軍包圍長沙的同時，也對衡陽進行長距離的奔襲，乘華軍全力在長沙作戰之時，出其不意地一舉攻佔衡陽。
十四航空隊在五個星期不眠不休的支援作戰中，擊落日機一百二十架，炸毀日機九十架，造成日軍補給線多次的中斷。從長沙到武漢的日軍補給線及倉庫，一路被炸，火焰衝天，燃燒長達一個星期以上。夜間美機甚至可以就著火光，無需導航而直飛漢口，進行轟炸。日軍承認，在湖南的作戰之中，約有十分之一的兵力，是美機攻擊下致死的。假如陳納德能夠得到三百架戰機的增援，又有充足的後勤供應，應該可以全力摧毀日軍部隊的補給系統，那麼戰局會有極大的變化。
由於日本大本營與中國派遣軍司令部對於一號作戰計劃的湖南之戰，給予全力的支持，使得橫山可以指揮的部隊高達八個師團及一個旅團，單是在兵力上，日軍就擁有前所未有的絕對優勢。因此橫山在詳細檢討過去三次長沙作戰的得失之後，擬定出一個全面包抄薛岳部隊的計劃。過去日軍進攻長沙的部隊兵力，最多是三個師團加上特種作戰部隊，作戰支援的準備，也是以兩個星期爲度。但這次橫山勇的作戰計劃，動員的總兵力是超過八個師團（三十六萬人以上），他更將日軍的作戰縱深，根本延伸到衡陽，所以日軍在兵力的優勢以及作戰計劃的規劃上，都早已經超越薛岳過去防禦長沙的「天爐作戰」之架構和圖書。
日軍作戰計劃的另一步棋，就是同時奔襲衡陽。橫山勇在日軍在還沒有攻陷長沙之時，就已經下令第六八師團與一一六師團，繞過長沙外圍，馬不停蹄地沿著湘江兩岸，直接撲向衡陽華軍陣地。此時薛岳所指揮的主力部隊，則向江西方向敗退，根本無法攔截日軍的長趨直下，整個第九戰區的防衛系統爲之瓦解。
日本華北方面軍在河南戰場獲得大勝之後，日軍一號作戰的重心，就轉到湖南。日本中國派遣軍總司令官畑俊六，對於第十一軍準備攻佔長沙、衡陽的作戰，寄予極大的期望，因爲整個一號作戰計劃的成敗關鍵，就在長、衡之戰的贏輸，日軍必須擊敗長沙之虎薛岳，才能完成一號作戰計劃。所以畑俊六特別前往武漢坐鎮指揮，同時加派更多的部隊助攻。受命指揮日軍作戰的第十一軍軍長橫山勇中將，當然更知道這場戰役的結果，事關重大。橫山對於進攻長沙，早已有了萬全的準備，因爲過去日軍曾經三度試探，都未能佔領長沙，使得華軍的第九戰區司令長官薛岳上將，更是因此成爲華軍將領中的虎將。所以此次日軍進攻長沙、衡陽的大會戰，將是橫山個人軍旅生涯最大的挑戰了。
由於薛岳軍力不足以及佈陣錯誤，加上軍方上層的嚴重內鬥，在日軍絕對優勢兵力的多重攻勢與連環包圍之下，華軍在湖南的整個戰局失去了控制。長沙外圍的戰略據點，很快地就先被日軍攻佔，六月十四日，日軍攻佔瀏陽，截斷了薛岳反攻長沙的外圍作戰部隊；次日陷寧鄉，長沙於是受到日軍全方位的包圍。中國第四軍已無法用傳統的防禦方式，來守住長沙；原本在長沙外圍待命的機動部隊，先遭到日軍的猛攻，已不可能支援長沙的防禦作戰。這時候，另外一支的日軍，更成功地攻佔了岳麓山的長沙砲兵制高點。