第40师团徒涉地点，在新墙河中游潼溪街以东附近，由西向东依次为步兵第236、第235、第234联队，该师团在24日14时即同时过河发动进攻。
当日夜间，湘北地区下着大雨，能见度极差。敌这5个联队在徒涉过河时，遭到第20军、第58军的猛烈抵抗，龟川良夫的第236联队因紧张慌乱而迷了路。
随后，丰岛房太郎的第3师团亦随第6师团之后，徒涉新墙河。
25日，国军与小鬼子在新墙河以南激战一天，当晚第20军奉命向东南的三江口、关王桥、王家坊山区后撤，58军则向杨林街进行侧击。
过了新墙河的日军经25日一天的战斗后，其第40师团于26日占领了关王桥，第6师团占领了铁路线上的黄沙街及以东的龙凤桥。随之，这3个师团，即按预定计划在雨雪中的泥泞道路上向以南的汩水一线突进。
当晚，第3师团到达了归义，第6师团到达了新市的对岸，第40师团突进至长乐街。因连日雨雪，汩罗江水位增高，流速增大，对岸守军依托工事进行强火力封锁，日军在此受阻。
27日，第3师团的骑兵联队在渡过汩水时，有64匹军马被南岸守军第99师的部队击倒。
当日，薛岳令37军加强防御，阻止敌军渡河，并令杨森的第27集团军进行侧击以牵制敌人，又令37军的140师由金井向白水东南的新开市驰援。该师于当日经英勇奋战，收复了新开市。
但日军第3师团已于27日在归义以西强渡了汩水，第6、第40师团，则在长乐街附近的汩水河上进行架桥。
至12月26日，日军因连日作战尚较顺利；有消息说第9战区由于部分兵力南调，目前长沙守备力量薄弱；日军已于12月25日占领香港。阿南惟几根据以上情况准备继续南进，攻占长沙，给国民党军以更大的威胁。
但其参谋们认为本次作战是策应香港方面的军事行动，此时香港已被占领，对再进攻长沙应取慎重态度，然而阿南仍然决定：渡过汩水，继续南进，攻占长沙。
随后第11军司令部向南京派遣军发去了进攻长沙的请示电报，就在等待中国派遣军总司令部批复的时候，阿南突然接到空中侦察的报告：汩水以南的守军，正向长沙退却。
当下阿南惟几也不等待中国派遣军总司令部的批复了，直接决定已渡过汩水的第3师团向长沙追击。
只到28日至29日下午，11军任未收到南京派遣军关于进攻长沙的批复。阿南遂于29日的傍晚，独自决定以3个师团向长沙追击。
然而一直打到1月5日，日军依旧没有像阿南惟几预计的那样攻克长沙，反倒是被第九战区的反击打的损兵折将，死伤万余人，不得已的情况下只能撤兵。
长沙保卫战结束后，重庆军委会决定，对指挥该作战有功的李玉堂将军升任为第27集团军副总司令；升任预备第10师师长方先觉将军为第10军军长；团长孙明瑾升任为预备第10师师长；团长葛先才升任为预备第10师副师长。
国军在长沙作战的胜利，与此时日军以总共10个师团进攻英军属地马来亚，进犯美军占领地菲律宾、关岛和从越南进入泰国、缅甸，形成明显的对照。
这次胜利，使全国军民更加坚定了抗战必胜的信心。大后方不少城市的民众，为此而举行了盛大的庆祝活动。为了慰问在长沙地区浴血奋战的将士，后方各界人士还自动捐款达250万元以及各种物品转送前方。
在国际上，为庆祝此次胜利，美、英等国政府专门向我国发来了祝捷的电报。第二次世界大战中的中国战场，至此就更加显示出其重要地位。
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