民国三十年（1941年）12月下旬，日军在第二次长沙会战收兵之后，才只过了两个多月就又卷土重来了。因为第二次长沙会战日军成功地打击了第九战区国军战斗力最强的两个部队，也就是第十军和七十四军，都造成了伤亡过半的损失，基本上失去了战斗力，战后被迫转入补充休整，因此这次日军卷土重来，希望能再歼灭一部分国军主力部队，巩固其华中占领区。
日军仍然是四处调集军队，拼凑出了十万余人的军队，分多股以广正面强渡新墙河和汨罗江，迅速向长沙方向猛攻。国军则在第一线和第二线进行逐次抵抗之后，各部队都分别转入山区，也就是日军的外线，在浏阳河和捞刀河之间也没有进行高强度抵抗，只是稍作抵抗，就放弃了阵地，日军继续深入，终于到达长沙城下。
按照此前战区参谋部策定的作战计划，就应该是这样，在日军从北路进攻时，逐次抵抗，诱敌深入，第一线部队适时转入外线，将日军放到长沙附近，放手让日军进攻长沙，等到日军攻势顿挫，再下令国军外线部队向长沙增援，从外线对日军进行包围，并压缩到捞刀河与浏阳河之间的三角地带歼灭之。不过，第一次和第二次长沙会战都未出现这种局面，日军来得快，去得也快，国军没有机会包围日军，日军就撤回去了。
此时，按照薛岳的部署，在长沙充当炉膛的不是别人，正是上次在第二次长沙会战中伤亡惨重，刚刚完成补充的第十军。而在城内担任守备任务的，主要是周庆祥为师长的第三师，其余两个师与第三师成掎角之势。为了加固炉膛，以防万一，薛岳还特地命令七十三军派一个师到长沙，协助第十军防守长沙，杀伤日军，为外线部队增援争取时间。七十三军派出的正是韩浚任师长的七十七师。
就兵力来说，日军先后投入进攻长沙的部队总计约六万人，主要是从北面、东面和南面包围长沙。而国军第十军当时全军约二万人稍多一些，来增援的七十七师也只有六七千人，人数并不算多，加起来用于守城的部队也不足三万人，与日军攻城部队的兵力对比为一比二。以装备水平和战斗力，士兵的战术素养来说，这个数量的日军如果是野战，足够对付二十万以上的国军。但没想到，这次日军却吃了个大亏。
为什么日军这次会吃亏呢？就是因为日军忽视了湘江西岸的岳麓山的战略重要性，而国军却充分注意了发挥这个战略要地的作用，摆了两个美式装备组成的炮兵团。除了第十军自己下辖的一个炮兵团，还有第九战区的一个炮兵团，薛岳也交给了李玉堂指挥，以加强第十军的防御力量。而日军因为是长途奔袭，道路被国军和民众破坏，运输不便，进展速度又太快，所以这次到达长沙前线的重武器数量并不多。
这样，一打起来，日军很快就发现情况不对劲，这次国军的炮火之猛烈远远超过以往，而且很快就完全压制住了日军的炮火。更要命的是，国军的两个炮兵团就摆在岳麓山上，而这是一个可以瞰制长沙全城的主战场的制高点，又被国军炮兵占领了。所以，日军刚像以往一样，攻城之前才开始炮击，就被国军以猛烈炮火进行了压制射击，一轮猛轰下来，日军的炮兵阵地就被压制住了，无法继续支援日军作战。日军以往擅长的以飞机轰炸国军炮兵阵地的打法这时候也因为国军以机枪火力封锁，飞机轰炸也没有奏效。
所以，第三次长沙会战第一次出现了双方攻防形势完全转换的情况，日军的炮火完全被国军压住了，以至于出现了日军一个炮兵旅刚开始攻击，就被国军炮兵一顿猛轰，失去了战斗力。日军没有办法，只有倚仗其兵力优势，以密集队形和仅有的重武器向国军阵地猛攻，毕竟，日军的战斗素养比国军高，数量又占优势，所以，虽然岳麓山的炮兵阵地对日军形成了重大杀伤，但是很快炮弹就用得差不多了，只能由守城部队和日军进行短兵相接的战斗。
日军猛攻了一星期，还是没有完全将长沙城内的国军守军完全消灭，这时候其实就已经比较危险了，但日军指挥官不仅没有马上意识到国军这是在为增援部队争取时间，反而企图赶在国军增援部队在外线形成合围之势之前，就攻下长沙。其实，这时候日军的后勤补给线已经被国军切断，给养困难，再攻下长沙也意义不大了，但是日军指挥官阿南惟几却仍然坚持一定要攻下长沙再全线撤退。更要命的是，日军这个企图在七十七师缴获的日军文件中被国军发现了，也就失去了撤退的有利时机。
国军确认日军恋战，而第十军的抵抗已经对日军造成了重大杀伤之后，薛岳按捺不住一阵狂喜，筹划已久的天炉战法这次终于可以大显身手了，机会来了。于是，薛岳下令外线各部队加速向长沙附近前进，合围日军，并将日军压迫在捞刀河和浏阳河之间的三角地带加以歼灭。很快，国军外线部队分别赶到外线，对日军形成了合围之势，日军终于陷入了被动，整个进攻长沙的部队都已经陷入了被包围的态势，而且粮弹两缺，增援部队又被国军不断阻击，无法突破。
因此，第三次长沙会战是薛岳的天炉战法的唯一一次真正意义上的胜利，对日军造成了严重损失。日军在久攻长沙不下，外围又被国军包围的情况下，最终只能陷入苦战，边打边退，而国军则不断追击，日军损失惨重。按照战后国军的宣传，第三次长沙会战日军的损失应该在四万人以上，这个数据应该不可信，而日军自称的伤亡四千余人也不太可能，但日军损失两万人左右应该是没有问题的。
