第二次長沙會戰結束後，日軍沒有達到攻占長沙的戰略目標，國軍遭受重創，傷亡慘重，雙方對此次會戰的結果都不滿意，阿南惟幾和薛嶽更是將對方視為仇敵，期待再決雌雄！
在阿南惟幾看來，在他的指揮下第11軍充分發揮出了日本軍人的強悍戰鬥力，國軍主力在他的重火力閃電戰面前根本沒有抵抗力。如果不是自己沒有得到充分的補充再加之外圍告急，長沙早已是囊中之物，所謂的國軍戰神薛嶽根本不是他的對手。同樣，第九戰區司令長官薛嶽對於阿南惟幾也是一萬個不服，他認識到自己在上一次戰鬥中確實是犯了輕敵的致命錯誤才讓阿南鉆了空子，但此後整個第九戰區嚴陣以待，薛伯陵布置下了一個超級天爐隨時準備把阿南惟幾這把鋒利的武士刀給煉了。只不過薛嶽可能也沒有想到，機會竟來得如此之快。
1941年10月阿南惟幾退回新墻河以北之後，將此次戰果上報中國派遣軍總部，很顯然這個結果遠沒有達到日本高層的預期。日本人的戰略目標是盡快攻占湖南，打通湖廣一線，最終實作「南進」戰略，但兩次長沙會戰，不但沒有拿下湖南，並且還損兵折將，整整消耗了兩年的寶貴時間。
華中戰場陷入了日本最不願意看到的持久相持作戰局面，武漢會戰之後，日本高層逐步縮減了對華中派遣軍的補給。盡管日軍占領了大片中國領土，軍糧基本可以自給自足，但當時的中國還是農業社會，根本無法提供工業產品，彈藥、油料等重要戰略物資全部都要依賴日本本土供給，而日本當時已經是捉襟見肘了。
因此，日本總部給予華中派遣軍的主要任務就是維護已占領的後方穩定，保障嶽州一線的交通順暢，在適當的時機對國軍進行打擊以減弱其抗戰力量。日本高層的註意力正逐漸轉向蘇聯和英美，中國派遣軍的地位逐步下滑，這是畑俊六和阿南惟幾等狂熱分子最不願意看到的局面。
東條英機上台之後積極籌備對美軍開戰，1941年12月7日日本海軍偷襲美國海軍基地珍珠港，太平洋戰爭爆發，美國宣布正式參戰。次日，日軍命令第23軍對香港發起進攻，準備占領這個重要的港口。狂妄的東條英機對英美開戰，讓蔣介石興奮不已，如此一來中美英蘇實際上已經形成了統一的反法西斯陣線。
為了協助英美，蔣介石命令第四戰區攻擊日23軍，同時抽調第九戰區的第2、第4軍南下協助英軍駐守香港。為了配合日23軍進攻香港，華中派遣軍總部命令阿南惟幾對第九戰區湘北防線發起進攻，牽制薛嶽主力部隊南下支援香港。這項任務本來就是牽制性作戰，但在阿南惟幾看來這可能是11軍攻占湖南的最後機會，而薛嶽也希望這一次阿南能進入他在長沙布下的天爐之中。
由於日本本土削減了對華中日軍的彈藥供應，並未要求11軍攻占長沙，所以日軍這次作戰的規模要小於前兩次，據統計阿南惟幾調動的兵力不足十萬人，並且所攜帶的彈藥、油料等補給有限。阿南的初期計劃也只是想利用閃電戰將新墻河南岸國軍27集團軍的兩個軍消滅。薛嶽在戰前詳細分析了敵我雙方的情況，制定了誘敵深入、層層阻擊、合圍全殲的作戰計劃。阿南惟幾到底會不會上鉤，薛嶽的天爐能否裝得下日軍？在開戰之前，一切都是未知數！
鑒於第二次長沙會戰的慘痛教訓，薛嶽仔細研究了阿南惟幾，此人對打仗似乎有著一種近乎狂熱的執著，並且著迷於強力進攻。上次進攻新墻河防線，阿南調集了能夠調集的所有兵力和重火力，幾乎在同一時間向南岸陣線發起最猛烈的攻擊，這是自開戰以來從未見過的瘋狂進攻。
薛嶽感覺到，這個阿南惟幾就好像一匹餓狼，一旦聞到血腥味就會死死的咬住不放，所以，薛嶽為這匹狼準備了足夠多的誘餌，要一步步的把它吸引過來。第二次長沙會戰時，國軍情報系統的滯後也是導致慘敗的重要原因，此後軍統派遣了強大情報團隊支援第九戰區。
此次，在阿南惟幾調動部隊備戰之初，薛嶽就已經清清楚楚地看到了日軍的一舉一動，並且啟用最新電報密碼，力保軍情不被外泄。大戰一觸即發，這一戰也是反法西斯陣線結成之後，中國方面的第一次大戰，蔣介石為了突出中國在國際陣線上的地位和作用，非常重視此次作戰，不但給予第九戰區大力支持，並且親自督戰，由此可以看出此戰對於國軍的重要性。
戰前，薛嶽秘密調集了30個師應對阿南惟幾，總兵力超過30萬人，規模上遠遠大於日軍。並且中國已經和蘇聯、英國和美國形成實際上的統一陣線，得到了他們的大量援助，第九戰區部份部隊大批次裝備了蘇式、美式武器。國軍一線的士兵手中出現了大批的波波沙和M3衝鋒槍，在和日軍的近戰搏殺中占據了上風。國軍中的各類輕重機槍、大小火炮也不斷增加，蔣介石還特意為薛嶽配備了10門150公釐大口徑德制榴彈炮，這是日軍都沒有的頂級裝備。
而日軍自日俄戰爭之後就沒有更換過主戰裝備，三八式步槍是其標配，日軍高層刻板的戰術思維導致日軍武器數十年沒有更新。另外，抗戰爆發後，國軍各部一直在與日軍激戰，尤其是經過武漢會戰和前兩次長沙會戰，第九戰區各部都得到了血與火的戰場歷練，百戰余生的老兵組成了戰鬥力強悍的主力部隊。因此在這個時候的中國戰場上，中日雙方的實力對比正在發生悄悄地翻轉。
此時，在阿南惟幾的眼中，薛嶽還是那個只知道被動挨打的國軍將領，他並沒有意識到，一張大網已經為他悄悄地鋪開。為了迷惑阿南惟幾，薛嶽並沒有更改位於湘北前線的部署，新墻河防線上部署的仍是楊森的第二十七集團軍，在第2軍和第4軍抽調南下之後，僅剩第20軍和第58軍，其中20軍只有兩個師，武器裝備落後，盡管作戰風格頑強，但卻是川軍中出了名的雜牌軍。而在新墻河以南依舊是以汨羅江為核心構築了第二道防線，駐防此地的核心是主力第37軍。新墻河與汨羅江都是薛嶽為引誘日軍布下的虛陣，而位於撈刀河與瀏陽河之間，以及長沙市區才是薛嶽天爐大陣的核心爐膛。
薛嶽計劃利用新墻河與汨羅江兩道防線吸引並遲滯阿南惟幾主力部隊的進攻，在途中不斷派出部隊側擊、襲擾日軍，層層阻擊，不斷消耗日軍進攻的銳勢。待日軍主力進入爐膛，則依靠在長沙構築的堅固工事和埋伏的精兵與日軍進行近身纏鬥，把他們死死的按在爐膛裏，然後調集外圍十余萬大軍火速向長沙靠攏，力求將日軍主力包圍在長沙，最終將其一舉殲滅。這就是薛伯陵獨創的天爐戰法。
1941年12月23日，日本第11軍下屬主力部隊第3師團、第6師團以及第40師團協同其他配屬部隊，合計兵力六萬余人在新墻河北岸集結。24日下午，日軍第40師團的三個聯隊開始渡河對南岸國軍之第二十七集團軍20軍134師發起攻擊，第三次長沙會戰正式打響。隨後，第6師團發起渡河攻擊，25日晨，第3師團也加入到戰鬥中來。
阿南惟幾曾在戰前親自向渡河部隊的一線指揮官傳授閃電戰的六字要訣「快速、強勁、兇悍」，因此日軍的進攻勢頭非常猛烈，20軍的陣地不斷被突破。川軍將士在軍長楊漢域的率領下，奮力抵抗，且戰且退，對日軍實施梯次阻擊，並協同58軍對日軍實施側擊。26日，日軍3個師團逐步攻破其正面的20軍、58軍陣地，並繼續向南突進。按照華中派遣軍給予11軍的任務，是盡可能消滅新墻河防線上的國軍主力，牽制其向南調兵。因此，到12月26日晚，日軍已基本完成既有任務，可以撤出戰鬥。但是阿南惟幾卻在此時命令部隊繼續快速南下，殲滅國軍主力。
阿南惟幾臨陣改令，實際上犯了兵家大忌，這一點他不會不清楚，而他之所以兵行險著，背後大有文章。在12月23日，11軍的3個師團剛剛於新墻河北岸集結待命，尚未發起進攻的時候，阿南惟幾就接到電報。23軍已經攻入香港，英軍的抵抗正在減弱，香港基本上已被拿下。這封電報這個時候發給阿南惟幾其用意很清楚，既然香港已到手，再對第九戰區發動進攻已經沒有了牽制意義，最合理的選擇就是終止此次作戰任務，立即撤兵。
當阿南惟幾看到這份電報的時候，不但沒有一絲為攻占香港而高興，反而像遭了一記晴天霹靂。如果此時撤軍，就意味著第11軍此時不過就是個保境安民、維護交通的保安團，日軍第一王牌軍的榮耀將在他的手上徹底衰落。兩次攻擊長沙失敗，也意味著大本營甚至日本皇帝失去了對11軍的信任，這是阿南惟幾等人死也不能接受的，阿南惟幾和11軍都需要透過這次大戰來證明自己。阿南惟幾當場撕掉了電報，不顧尚未集結完畢第3集團軍，命令先行到達的第40集團軍務必於24日向對岸發起最猛烈的進攻。
12月26日，20軍和58軍已完成阻擊任務，開始向兩側撤退。新墻河防線上不到兩個軍的兵力竟然遲滯了日軍3個師團三天，這大大出乎阿南惟幾的預料，不過20軍和58軍並未遭受滅頂之災，而是順利的南撤了。阿南此次的任務是消滅國軍主力部隊，因此日軍開始向南進攻汨羅江防線。此時的薛嶽正在緊緊地盯著阿南惟幾的這三個師團，他很擔心阿南會不會在此時突然命令撤軍，因此他必須繼續引誘日軍向長沙靠近。
當時薛嶽安排在汨羅江防線上的是37軍和99軍，99軍的戰鬥力較弱，因此阿南惟幾將主要火力都集中在了37軍的身上。37軍按照薛嶽的命令，奮力抵抗，將日軍拖在汨羅江防線。盡管阿南惟幾一再要求部隊進攻強度、提高進軍速度，但結果並不理想。因為日軍這次作戰沒有向第二次長沙會戰時那麽多的重型火炮支援，所攜帶的彈藥和補給也非常有限。
同時，第九戰區看似布置的兵力薄弱，但實際上戰前做了充分準備。為了遲滯和消耗日軍，國軍發動群眾再一次破壞了從新墻河到汨羅江一帶的所有道路，同時掘開稻田，平江地區成為了一片沼澤，腳穿豬皮軍靴的日軍在泥水之中艱難跋涉。撤出新墻河防線的20軍和58軍並沒有完全南撤，而是在左右兩翼不斷的側擊、襲擾在泥沼中艱難行進的日軍。
日軍的進攻仍在繼續，37軍也在抵抗中且戰且退，阿南惟幾為了盡快消滅37軍，命令第三師團從側翼迂回到其背後，準備合圍37軍。薛嶽立即看出了阿南惟幾的意圖，於是命令37軍立即向南部山區撤退，將汨羅江防線讓與日軍。阿南惟幾認為37軍突然撤退是害怕被圍殲，同時他發現此時的第九戰區兵力空虛，除了汨羅江防線上的兩個軍之外，長沙最後一道防線上只有駐守撈刀河、瀏陽河一線的國軍第10軍。只要殲滅這個37軍，長沙就是囊中之物了。
阿南惟幾立即將戰場情況向中國派遣軍報告，同時請求允許他進攻長沙。中國派遣軍總司令官畑俊六自然知道阿南的這個請求有很大的風險，但這也似乎是中國派遣軍難得的機會，於是批準了阿南惟幾的請求。12月28日，畑俊六回復同意阿南的新作戰計劃。於是，阿南惟幾向各部隊下令，繼續向南，攻擊長沙。
阿南惟幾再一次更改命令讓各部指揮官有些不解，此次他們的兵力不多，並且補給有限，盡管情報上顯示國軍兵力空虛，但他們所遭遇的阻擊力量並沒有減弱，到處都有中國人在向他們射擊，並且泥濘的道路讓士兵們苦不堪言。
當時已是深冬季節，就在阿南下令攻擊長沙的當天，湖南北部降下了雨夾雪，中國南方的冬天又濕又冷，冰、雪、水同時存在，這種氣候讓日軍士兵很不適應。糟糕的交通狀況和遊擊隊的襲擊使得日軍補給部隊根本無法將補給送到前線部隊的手中，阿南惟幾只好命令空軍協助空投補給給前線部隊，但也是杯水車薪。
盡管困難重重，但在阿南惟幾的眼中，長沙就在眼前，唯一的障礙不過是一個小小的第10軍，重塑第11軍輝煌的時刻就要到來了，因此他不顧一切強令部隊繼續進攻。37軍撤退了，但日軍並沒有全部立即渡過汨羅江，因為此時由於連日的大雨雪，汨羅江水位暴漲，冰冷刺骨的河水讓日軍無法徒步過河，只能等待工兵部隊架橋渡河。
在阿南惟幾一再的催促下，日第3師團於12月31日到達長沙郊區，並開始強渡瀏陽河，隨後，第6師團、第40師團各部也陸續從汨羅江防線向長沙進軍。自此，日軍三個師團已經逐步進入薛嶽布置的天爐爐膛，阿南惟幾到這個時候依舊認為長沙地區的兵力非常薄弱，絕對不超過兩個軍，只要稍微進行攻擊，國軍就會一觸即潰，於是他命令第3師團先頭部隊不用等待後續部隊跟進，直接開始攻擊第10軍陣地。
薛嶽看得清清楚楚，阿南惟幾正在按照他的預想把日軍3個主力師團送進來，於是命令外圍部隊立即向長沙靠攏，務必於1月4日前，完成對日軍的包圍，最終聚殲日軍。各部在接到命令之後，日夜兼程火速馳援長沙。第九戰區羅卓英部第十九集團軍，王陵基部第三十集團軍、楊森部第二十七集團軍、戰區直屬37軍分別從四面八方向長沙疾行。
同時，重慶方面再次將抗日鐵軍國軍王牌王耀武的七十四軍劃撥第九戰區，立即趕赴長沙外圍堵截日軍，增援香港的第四軍也已經回師。到這個時候，阿南惟幾仍然沒有意識到有二十余萬大軍正在向他包抄過來，他眼中此時只有長沙。
1941年最後一天的晚上，激戰開始了，日軍開始向駐守長沙的第10軍發起了最後的進攻。此次駐守長沙的是國民革命軍第10軍，軍長是抗日名將李玉堂。1939年李玉堂率第10軍將士在棺材山陣地阻擊日軍，盡管遭到日軍猛烈攻擊，所部損失甚重，但依然堅守陣地穩如泰山，又因為李玉堂是山東人，因此國軍總部授予其「泰山軍」的英雄稱號。
不過，在第二次長沙會戰中，第10軍在金井地區立足未穩就遭到日軍三個主力師團的強攻，為避免全軍覆沒，李玉堂在沒有得到薛嶽允許的情況下率部撤往長沙，後在長沙外圍構築防線繼續阻擊日軍。戰後，國軍總部以李玉堂擅自撤兵為由撤銷了其軍長一職，李玉堂不服，竟然當面責罵薛嶽，二人一度關系不睦。李玉堂被撤職，第10軍將士極為憤慨，紛紛為李玉堂抱不平，認為上峰的做法不公，第10軍一時間群龍無首。
很快第三次長沙會戰開始，薛嶽的天爐戰法需要一支能打硬仗的部隊在長沙死死頂住日軍的進攻，這支部隊就是天爐的爐膛，無論如何不能被擊穿。薛伯陵把第九戰區所有的部隊捋了一遍，只有第10軍，而且必須是李玉堂親內建的第10軍才能頂得住。為了顧全大局，薛嶽親自登門請李玉堂出山，沒想到李玉堂是個驢脾氣，根本不買薛某人的賬，還把他這個堂堂第九戰區司令長官給罵了出來。薛嶽沒有辦法，只得向蔣介石求助，關鍵時刻蔣介石親自以黃埔軍校校長的身份打電話給李玉堂，命他死守長沙，於是李玉堂重新披掛上陣，以第10軍代理軍長的身份駐守長沙城。
盡管長沙城在1938年曾遭遇「文夕大火」，但此後因戰事需要一直在不停地修建防禦工事，第二次長沙會戰中日軍曾攻入長沙市區與國軍展開巷戰。薛嶽發現一旦日軍和國軍在市區進行巷戰，日軍的優勢頓時全無，盡管日軍士兵訓練有素，近身格鬥能力很強，但他們對長沙市內道路地形不熟，隊形優勢無法發揮。況且國軍主力部隊都配備了衝鋒槍，在短兵相接的時候完全占據上風。
所以，薛嶽命令李玉堂在一面在長沙外圍構築堅固工事，阻擊日軍正面進攻，另一方面還要積極準備巷戰，充分利用長沙市區的建築和已有工事截殺日軍有生力量。同時，薛嶽將指揮部設在長沙市內的制高點嶽麓山上，即時觀察戰場情況，並把戰區直屬炮兵團也安排在了這裏。第九戰區的十門150公釐榴彈炮可以覆蓋整個長沙市，隨時可以支援李玉堂部的戰鬥，另外再配屬兩個炮團，集中了近四十門大口徑山炮，足以給日軍致命打擊。
自12月31日夜日軍開始進攻長沙市區，至1月4日，日軍三個師團主力與第10軍在長沙地區展開了殊死搏鬥。第10軍將士在李玉堂的率領下抱定必死決心，誓與長沙共存亡，他們依據長沙外圍堅固的防禦工事抵擋日軍進攻。每當日軍即將攻破第10軍外圍陣地的時候，嶽麓山上的重炮群就會向日軍陣地開始猛烈轟擊，日軍先後發動數十次沖擊都被打退。第10軍的頑強抵抗，大大出乎阿南惟幾的預料，為了盡快突破第10軍防線拿下長沙，阿南惟幾命令擅長夜戰的加藤支隊趁夜色潛入長沙，尋找時機從背後攻擊第10軍。
李玉堂是身經百戰的沙場老將，早就料到日本人會玩背後偷襲的小把戲，所以提前在長沙市內各處民房內安插了大量散兵遊勇，一旦發現日本人偷偷潛入，就先放進來，然後關門打狗。倒黴的加藤不知道人家早就布下了打狗陣等著他鉆進來，自己就乖乖地溜進來了，當天夜裏連同加藤在內的四名日軍軍官就被守株待兔的國軍士兵給打死了。
加藤被打死之後，日軍的行蹤暴露，按照常理這個戰法就沒有意義了，但是日軍加藤支隊卻接連幾次向加藤被擊斃的方向發起沖擊。幾次激烈交火之後，負責防禦的守軍弄清了日軍的意圖，他們是想搶回加藤的屍體，加藤不過是個支隊長，他的屍體絕對不值得日軍冒死爭奪，肯定是他身上有什麽重要東西。
於是國軍士兵也開始拼命搶奪加藤屍體，倒黴的加藤死後又被雙方來回折騰了幾次，最終被國軍搶到。國軍士兵在加藤身上搜出了一份情報，立即呈報九戰區司令部，薛嶽很快就拿到了這份重要情報。
加藤身上的情報顯示，日軍的後勤補給已經中斷，現在完全依賴空投補給，根本無力支撐3個師團的持續進攻。要命的是日軍的彈藥已經告急，此前日軍計劃只是進攻新墻河一線的國軍，一線日軍每人只攜帶了百余發子彈。但阿南惟幾一再命令日軍深入進攻，並且被國軍遲滯，消耗過大，現在已經到了彈盡糧絕的時刻，若一兩天之內不能攻下長沙，則必須撤退。
薛嶽感覺到時機已到，此時外圍部隊也已陸續接近長沙外圍，部份先頭部隊已經開始進入集結地點。1月5日，薛嶽命令第九戰區所有部隊開始對日軍實施包圍，並非發起攻擊。直到這個時候，阿南惟幾才恍然大悟自己的3個師團已經陷入了薛嶽數十萬大軍的重重包圍，並且隨時有被圍殲的可能。為了避免數萬大日軍被圍殲，阿南惟幾急令各部立即調轉方向，撤出長沙，向北突圍。薛嶽隨即發現了日軍逃跑的跡象，立即命令各部依據自身位置對日軍發起追擊，爭取全殲11軍。
這個時候的日軍很清楚，他們現在不是在撤退，而是在逃命，如果跑不出去，就會被中國軍隊抓住處死，三個日軍師團拋棄輜重、火炮，瘋了一樣拼命向北逃竄。即便途中遭遇到國軍部隊的側擊，也不曾減速，他們甚至顧不上反擊，目的只有一個，用最快的速度突圍。
這個時候的湘北戰場上出現了自抗戰爆發以來的罕見場面，向來所向披靡的日軍此時竟然被一敗再敗的國軍追著打，並且日軍損失極為慘重。從長沙至新墻河的各條道路上，田地間，鄉間小道，山林裏外，到處是日軍丟棄的武器、彈藥和各類火炮以及日本士兵的屍體。據戰後幸存日軍的回憶，大部份戰友的屍體都被拋棄在了湖南的田地裏，甚至連一點遺物都來不及帶回來，那是一生中最恐怖的回憶。
日軍自1月4日夜間開始撤退，直至1月15日才最終撤回到新墻河北岸，第三次長沙會戰宣告結束。日軍撤退途中遭遇國軍以及湖南民眾的圍追堵截，折損嚴重。據國軍戰後公布的數據，此戰斃傷俘敵五萬六千余人，日軍大部被殲，國軍大獲全勝；而日軍沒有對外公布戰損，只在戰後史料中記載陣亡一千六百人。不難看出，雙方在數據上都有部份誇大或隱瞞，但日軍最終未能拿下長沙，並遭遇慘敗是不爭的事實，最終第三次長沙會戰以國軍全勝告終。
此戰是國軍自抗戰以來所獲最大勝利，殲敵甚多，並且國軍在與日軍的正面對抗中已經可以達到勢均力敵的程度，也說明了國軍實力大大增強。此戰後不久，國民政府正式與英美等國簽訂反法西斯同盟協定，中國成為世界反法西斯戰線上不可或缺的力量。美國政府在不久之後致電蔣介石，祝賀長沙大捷，並向中國增加五億美金貸款，英國方面為加強同中國合作，主動廢除了和中國簽訂的一切不平等條約。蔣介石也因為此戰被推薦為中國地區盟軍最高指揮官。因此第三次長沙會戰意義重大，而名將阿南惟幾也因為此戰的慘敗被撤職棄用，日本投降當日阿南惟幾剖腹自盡，以日本武士的愚蠢行徑證明了日軍之敗！
經此一站，薛伯陵再次被贊譽為中國抗日第一神將，榮登人生巔峰。但驕兵必敗是一個千古不變的道理，誰也沒有料到，強弩之末的日本，竟然在垂死掙紮之際集結三十六萬大軍，再次向長沙襲來。風雨飄搖中的長沙能否再次挺過這次浩劫？
