有了老蔣的指示，薛岳等人哪敢怠慢，督促各部隊加快行軍速度，務必要在發動反攻前抵達預定位置，要是因為那支部隊拖累了整個行動，到時候追究其責任來，他薛某人可不會手軟。
其實日軍已經發覺到了不同尋常的味道，9月5日下午日軍的偵察機發現在第三師團、第六師團兩側突然出現了多支支那軍隊在緊急行軍，情報上報第十一軍司令部之后，阿南惟幾頓時大吃一驚，當即判斷出第九戰區這是打算將他打頭的這兩個師團一口氣全吞掉。
嚇出了一身冷汗的阿南立即命令第3師團后撤，同時命令第六師團務必要保證在第3師團后撤的道路，確保渡河的安全。
日軍的這一舉動極大地刺激了薛岳，他判斷出日軍這是打算逃跑，當即命令所部的第20軍以及第26軍立即出擊，守城的第10軍也全力行動，牽制住日軍第三師團。很快第三師團主力以及日軍駐守渡河點榔梨市附近的步兵第45聯隊和輜重兵第6聯隊就陷入了苦戰。
面對第九戰區3個軍的同時發難，日軍頻頻出現失誤，步兵第45聯隊第7中隊的陣地在日落后放棄，第2大隊的陣地在當夜被滲透，第1大隊雖然守住了陣地，但是也付出了400名士兵傷亡的代價。
而輜重兵第6聯隊也遭到了最為猛烈的進攻，由于是輜重部隊。所以戰斗力并不是很強，僅僅半天的時間就傷亡過半。不得不向第六師團師團部求援。
激戰同時，輜重兵第3聯隊以及其他單位滿載彈藥和糧食，正在急速送往前線。9月5日晚23時30分該部在榔梨市附近一頭撞上了國軍第26軍的部隊。經過半個小時的激戰，該部被迫在茶塘村莊附近占領陣地固守，并向第3師團求援。自顧不暇的第3師團回電“希暫時隱忍自重，千方百計頑強戰斗”。
而第3師團接到后退的命令之后，立即命令所部第68聯隊收容了傷亡人員，然后在損失較小的第18聯隊的掩護下。向后撤退，然而剛撤到磨盤洲就遭到了歐震第4軍的阻擊。第4軍乃是新增援的部隊，可以說是以逸待勞，打了日軍一個措手不及，激戰數小時，日軍傷亡頗重，步兵第18聯隊以及東南方向的第13聯隊第3大隊被包圍。
幸虧日軍的第68聯隊趕來增援。而第4軍阻擊日軍的僅僅是一個先頭旅，在兵力上遠遠少于日軍，激戰幾小時最終被日軍突破了包圍圈。
相對而言，只有第6師團的后撤相對要順利得多。該師團主力于4日日落后，掩護兵力于22時開始后撤，雖然遭到第九戰區部分炮兵射擊。但是沒有軍隊尾追，所以到5日拂曉，該師團已經經榔梨軍橋集,結在瀏陽河右岸地區。但是第六師團也不是一點損失也沒有，該師團的野戰醫院和保護野戰醫院的一個步兵大隊由于出發較晚，加上被襲擊后又返回黑暗的戰場中找回傷員、重新搭載、查點人員又耽誤了時間。所以被第20軍的一個師追上包了餃子，激戰三小時。該部被全殲。
與此同時，日軍第40師團繼續在管家橋一帶和第37軍苦戰。5日天明，陸軍航空兵偵查通報，顯示第40師團已經被完全包圍，第九戰區的第95師已經占領師團西側高地。隨即第十一軍司令部命令第40師團立即后撤，而此時，該師團第235聯隊在朱鄰市陷入重圍，第234聯隊奉命在大山塘集結，也全面陷入終日的戰斗。日軍空軍進行了支援，但是沒有效果，各部隊又缺乏彈藥，一片混亂。
5日夜，第40師團師團部決定于深夜后突破大山塘南北敵防線，向春華山轉進，并決定留下步兵第236聯隊以及傷員、野戰醫院掩護師團主力，說白了就是留一群大白菜讓第九戰區砍。子夜時分，第234聯隊終于攻占大山塘一帶并完成集結，第236聯隊占領大山塘周圍陣地并控制了師團后撤的道路。此時該聯隊步槍子彈每人不過10～15發，手榴彈每一份對1～2枚。第40師團于6日凌晨2時開始沿象鼻橋——象土橋——文家塅——春華山的道路后撤。
9月6日清晨，薛岳下達了追擊令，這時長沙附近已無敵蹤。第九戰區所屬的6個軍27個師除留守長沙的兩個師以外，其余的全部加入追擊日軍的行列。
9月8日，日軍第6師團及第3師團陸續突出攔截線，第40師團亦從春華山東側北撤。第99軍、第37軍再在麻石山、麻峰嘴等地進行截擊。日軍一面抵抗、一面撤退。至10日，日軍退至汨羅江北岸才得以收容、整頓。第九戰區的第20軍、第58軍、第73軍、第4軍、第37軍和第78軍尾追至汨羅江南岸后，第78軍于13日從浯口渡過汨羅江，向長樂街以北實施超越追擊。
9月13日，日軍退至新墻河北原防地，第20軍、第58軍、第78軍等中國軍隊一面尋殲汨羅江以南的殘留日軍，一面向新墻河以北日軍陣地實施襲擊。至15日，基本上恢復了會戰開始前的態勢，第11軍指揮所也撤回漢口。
此次戰役，中國方面傷亡兩萬五千余人，斃傷日軍近六萬人，俘虜13,900人，另奪得大量物資，計繳獲步騎槍21138枝、輕重機槍815挺、山炮81門、無線電臺34架及大量的其他軍用品，取得了第三次長沙大捷。
另外由于此次戰役恰逢日軍偷襲珍珠港，盟軍在太平洋戰場節節敗退。中華民國軍隊卻在長沙取得了對日軍作戰的勝利，因而引起了當時世界媒體的廣泛關注。美國總統羅斯福稱：“盟軍的勝利，全賴華軍長沙大捷”，并宣布將向中國貸款5億美元，同盟國亦決定任命蔣中正為盟軍“中印緬戰區”最高統帥。英國媒體也用“在此遠東陰云密布之際，唯有長沙上空之云彩確切光輝奪目”的標題進行報道。蘇聯和西方同盟國也有大批記者和參觀團來到長沙進行訪問。
長沙大捷所造成的轟動不但令中國在國際上的地位有了顯著的提高，另外老蔣本人的個人威望也有所提高，興奮的老蔣隨即對有功將領進行了嘉獎，第十軍軍長李玉堂升任27集團軍副司令。原預10師師長方先覺升任第10軍軍長，原28團少將團長葛先才升任預10師副師長，其他戰斗中獲得戰功的將領也得到了國軍統帥部的獎勵。
雖然中國戰場上取得了不小的戰績，但是在南太平洋美英軍隊卻繼菲律賓戰役之后再次遭到重創。一個月之前，丘吉爾告訴美國人，新加坡這座島嶼堡壘可以經受住六個月的包圍。
新加坡方面的英軍最高指揮官珀西瓦爾將軍雖然擁有八萬五千兵力固守陣地以擊退敵人的進攻，他卻犯了和麥克阿瑟將軍同樣的錯誤：他把他的全部力量集中在海峽岸邊。他不聽韋維爾將軍的勸告。調來英國第十八師的部隊，部署在海峽堤道東北面的開闊地上，他認為敵人最有可能向那兒發起強攻。西北海岸交給戈登.貝內特的澳大利亞軍隊防守，為了建立一道防線，他們正在長滿濃密的熱帶植物的沼澤地里滾爬著。叢林阻擋了射界，妨礙了各戰術據點之間的交通。
由于深信珀西瓦爾有足夠的軍隊和軍需品來抵抗迫在眉睫的日軍的進攻。總督申頓.托馬斯爵士宣布新加坡將要書寫“帝國歷史上光輝的一頁”。但是由于宣傳不到位，在軍隊積極準備防御工事的時候，平民卻在阻礙戰備活動，他們堅決要求軍隊出具“主管當局”允許在高爾夫球場上挖壕或砍伐棕櫚樹的書面許可書。
只有當章宜海軍基地里代價高昂的新建設施開始用炸藥炸掉的時候，人們才認識到所臨危險的程度。
商人們立即停止向歐洲顧客賒銷貨物。愈來愈烈的空襲引起了無法控制的火災。由于沒有防空洞，傷亡是慘重的。城外的溝渠成了趴滿蒼蠅的尸體的墓穴。衣衫檻樓、醉醺醺的逃兵在街上逛蕩，洗劫炸塌的房屋，眼看就要成為難民的隊伍在碼頭排成了長蛇陣。
9月月7日晚間演出了英國在馬來亞的悲劇的最后一幕，當時山下奉文將軍派遣近衛師團越過海峽，占領控制著現在已被炸成廢墟的章宜海軍基地的入口處的那座小島。這是為了擺脫守軍防御而舉行的一次佯攻，就在這當兒，日軍大炮開始猛烈射擊，炮聲如滾滾雷霆。
日軍的炮擊取得了驚人的戰果，到黎明時分，著火的油庫上空籠罩著一層煙幕，摧毀油庫是為了防止燃燒著的石油流進海峽。隨著白晝的消逝，射擊有條不紊地指向西面，轟垮海峽堤道周圍的機槍掩體和防御工事。
丘吉爾認為可以堅守半年的新加坡，事實上只堅持了不到十天，就在長沙會戰結束的第二天，1941年的9月十5日，新加坡的所有秩序崩潰了。守將珀西瓦爾按照日本人的命令，在這一天下午六點鐘和他的高級軍官一起，驅車前往日軍戰線后方位于武吉智馬的福特汽車制造廠與日軍指揮官山下奉文進行談判。
作為中國戰場上的敗將，差一點被當做替罪羊處決了的山下奉文志得意滿的在等著這些英國佬。與山下奉文的的得意不同的是，珀西瓦爾面容憔悴，布滿血絲的雙眼顯示出他對失敗的沉痛感受。
英國人的軍服上積滿污垢，他們在一張未鋪桌布的桌子的另一邊排著坐下的時候，樣子實在顯得可憐。當他們通過翻譯得知，這不是討論投降條件的談判，因而更加顯得不安的時候，這位圓頭的日本將軍霍然指著桌子上攤在他們面前的投降書，粗魯地問道：“簽還是不簽？”珀西瓦爾盡管已經頹靡不振，卻還沒有作好接受這個最后屈辱的準備，打算起身就走。但是，同他手下的軍官商量之后，他還是決心要拯救他的士兵和新加坡的公民。八時十分，在拍攝鏡頭的電影攝影機面前，他忍辱簽署了投降書。
英軍在缺水、炮彈不足的情況下，被迫無條件投降這時英軍尚有8萬余人。在這次戰役中，日軍僅以傷亡約1萬人的代價，斃傷俘英軍約為14萬人，可謂以少勝多。就這樣，英國苦心經營了二十年的“東方直布羅陀”、世界著名的第四大軍港新加坡，陷入了日軍之手，印度洋的門戶就此打開了。
日本終于征服了傲岸于世的“獅子城”，而且砸碎了英國在遠東的帝國主義勢力的基礎。更多的苦難和死亡還在后頭！山下奉文雖然在當天晚上答應饒恕平民的性命，可是在一場后來成為慣例的行動中，許許多多的歐洲婦女和兒童被兜捕，關進章宜監獄，大批大批的華人被毫不留情地處決。盟軍在東南亞僅有的一點希望也被撲滅了，威名聲譽更是因為此戰蕩然無存。