第二次长沙会战结束后，日军没有达到攻占长沙的战略目标，国军遭受重创，伤亡惨重，双方对此次会战的结果都不满意，阿南惟几和薛岳更是将对方视为仇敌，期待再决雌雄！
在阿南惟几看来，在他的指挥下第11军充分发挥出了日本军人的强悍战斗力，国军主力在他的重火力闪电战面前根本没有抵抗力。如果不是自己没有得到充分的补充再加之外围告急，长沙早已是囊中之物，所谓的国军战神薛岳根本不是他的对手。同样，第九战区司令长官薛岳对于阿南惟几也是一万个不服，他认识到自己在上一次战斗中确实是犯了轻敌的致命错误才让阿南钻了空子，但此后整个第九战区严阵以待，薛伯陵布置下了一个超级天炉随时准备把阿南惟几这把锋利的武士刀给炼了。只不过薛岳可能也没有想到，机会竟来得如此之快。
1941年10月阿南惟几退回新墙河以北之后，将此次战果上报中国派遣军总部，很显然这个结果远没有达到日本高层的预期。日本人的战略目标是尽快攻占湖南，打通湖广一线，最终实现「南进」战略，但两次长沙会战，不但没有拿下湖南，并且还损兵折将，整整消耗了两年的宝贵时间。
华中战场陷入了日本最不愿意看到的持久相持作战局面，武汉会战之后，日本高层逐步缩减了对华中派遣军的补给。尽管日军占领了大片中国领土，军粮基本可以自给自足，但当时的中国还是农业社会，根本无法提供工业产品，弹药、油料等重要战略物资全部都要依赖日本本土供给，而日本当时已经是捉襟见肘了。
因此，日本总部给予华中派遣军的主要任务就是维护已占领的后方稳定，保障岳州一线的交通顺畅，在适当的时机对国军进行打击以减弱其抗战力量。日本高层的注意力正逐渐转向苏联和英美，中国派遣军的地位逐步下滑，这是畑俊六和阿南惟几等狂热分子最不愿意看到的局面。
东条英机上台之后积极筹备对美军开战，1941年12月7日日本海军偷袭美国海军基地珍珠港，太平洋战争爆发，美国宣布正式参战。次日，日军命令第23军对香港发起进攻，准备占领这个重要的港口。狂妄的东条英机对英美开战，让蒋介石兴奋不已，如此一来中美英苏实际上已经形成了统一的反法西斯阵线。
为了协助英美，蒋介石命令第四战区攻击日23军，同时抽调第九战区的第2、第4军南下协助英军驻守香港。为了配合日23军进攻香港，华中派遣军总部命令阿南惟几对第九战区湘北防线发起进攻，牵制薛岳主力部队南下支援香港。这项任务本来就是牵制性作战，但在阿南惟几看来这可能是11军攻占湖南的最后机会，而薛岳也希望这一次阿南能进入他在长沙布下的天炉之中。
由于日本本土削减了对华中日军的弹药供应，并未要求11军攻占长沙，所以日军这次作战的规模要小于前两次，据统计阿南惟几调动的兵力不足十万人，并且所携带的弹药、油料等补给有限。阿南的初期计划也只是想利用闪电战将新墙河南岸国军27集团军的两个军消灭。薛岳在战前详细分析了敌我双方的情况，制定了诱敌深入、层层阻击、合围全歼的作战计划。阿南惟几到底会不会上钩，薛岳的天炉能否装得下日军？在开战之前，一切都是未知数！
鉴于第二次长沙会战的惨痛教训，薛岳仔细研究了阿南惟几，此人对打仗似乎有着一种近乎狂热的执着，并且着迷于强力进攻。上次进攻新墙河防线，阿南调集了能够调集的所有兵力和重火力，几乎在同一时间向南岸阵线发起最猛烈的攻击，这是自开战以来从未见过的疯狂进攻。
薛岳感觉到，这个阿南惟几就好像一匹饿狼，一旦闻到血腥味就会死死的咬住不放，所以，薛岳为这匹狼准备了足够多的诱饵，要一步步的把它吸引过来。第二次长沙会战时，国军情报系统的滞后也是导致惨败的重要原因，此后军统派遣了强大情报团队支援第九战区。
此次，在阿南惟几调动部队备战之初，薛岳就已经清清楚楚地看到了日军的一举一动，并且启用最新电报密码，力保军情不被外泄。大战一触即发，这一战也是反法西斯阵线结成之后，中国方面的第一次大战，蒋介石为了突出中国在国际阵线上的地位和作用，非常重视此次作战，不但给予第九战区大力支持，并且亲自督战，由此可以看出此战对于国军的重要性。
战前，薛岳秘密调集了30个师应对阿南惟几，总兵力超过30万人，规模上远远大于日军。并且中国已经和苏联、英国和美国形成实际上的统一阵线，得到了他们的大量援助，第九战区部分部队大批量装备了苏式、美式武器。国军一线的士兵手中出现了大批的波波沙和M3冲锋枪，在和日军的近战搏杀中占据了上风。国军中的各类轻重机枪、大小火炮也不断增加，蒋介石还特意为薛岳配备了10门150毫米大口径德制榴弹炮，这是日军都没有的顶级装备。
而日军自日俄战争之后就没有更换过主战装备，三八式步枪是其标配，日军高层刻板的战术思维导致日军武器数十年没有更新。另外，抗战爆发后，国军各部一直在与日军激战，尤其是经过武汉会战和前两次长沙会战，第九战区各部都得到了血与火的战场历练，百战余生的老兵组成了战斗力强悍的主力部队。因此在这个时候的中国战场上，中日双方的实力对比正在发生悄悄地翻转。
此时，在阿南惟几的眼中，薛岳还是那个只知道被动挨打的国军将领，他并没有意识到，一张大网已经为他悄悄地铺开。为了迷惑阿南惟几，薛岳并没有更改位于湘北前线的部署，新墙河防线上部署的仍是杨森的第二十七集团军，在第2军和第4军抽调南下之后，仅剩第20军和第58军，其中20军只有两个师，武器装备落后，尽管作战风格顽强，但却是川军中出了名的杂牌军。而在新墙河以南依旧是以汨罗江为核心构筑了第二道防线，驻防此地的核心是主力第37军。新墙河与汨罗江都是薛岳为引诱日军布下的虚阵，而位于捞刀河与浏阳河之间，以及长沙市区才是薛岳天炉大阵的核心炉膛。
薛岳计划利用新墙河与汨罗江两道防线吸引并迟滞阿南惟几主力部队的进攻，在途中不断派出部队侧击、袭扰日军，层层阻击，不断消耗日军进攻的锐势。待日军主力进入炉膛，则依靠在长沙构筑的坚固工事和埋伏的精兵与日军进行近身缠斗，把他们死死的按在炉膛里，然后调集外围十余万大军火速向长沙靠拢，力求将日军主力包围在长沙，最终将其一举歼灭。这就是薛伯陵独创的天炉战法。
1941年12月23日，日本第11军下属主力部队第3师团、第6师团以及第40师团协同其他配属部队，合计兵力六万余人在新墙河北岸集结。24日下午，日军第40师团的三个联队开始渡河对南岸国军之第二十七集团军20军134师发起攻击，第三次长沙会战正式打响。随后，第6师团发起渡河攻击，25日晨，第3师团也加入到战斗中来。
阿南惟几曾在战前亲自向渡河部队的一线指挥官传授闪电战的六字要诀「快速、强劲、凶悍」，因此日军的进攻势头非常猛烈，20军的阵地不断被突破。川军将士在军长杨汉域的率领下，奋力抵抗，且战且退，对日军实施梯次阻击，并协同58军对日军实施侧击。26日，日军3个师团逐步攻破其正面的20军、58军阵地，并继续向南突进。按照华中派遣军给予11军的任务，是尽可能消灭新墙河防线上的国军主力，牵制其向南调兵。因此，到12月26日晚，日军已基本完成既有任务，可以撤出战斗。但是阿南惟几却在此时命令部队继续快速南下，歼灭国军主力。
阿南惟几临阵改令，实际上犯了兵家大忌，这一点他不会不清楚，而他之所以兵行险着，背后大有文章。在12月23日，11军的3个师团刚刚于新墙河北岸集结待命，尚未发起进攻的时候，阿南惟几就接到电报。23军已经攻入香港，英军的抵抗正在减弱，香港基本上已被拿下。这封电报这个时候发给阿南惟几其用意很清楚，既然香港已到手，再对第九战区发动进攻已经没有了牵制意义，最合理的选择就是终止此次作战任务，立即撤兵。
当阿南惟几看到这份电报的时候，不但没有一丝为攻占香港而高兴，反而像遭了一记晴天霹雳。如果此时撤军，就意味着第11军此时不过就是个保境安民、维护交通的保安团，日军第一王牌军的荣耀将在他的手上彻底衰落。两次攻击长沙失败，也意味着大本营甚至日本皇帝失去了对11军的信任，这是阿南惟几等人死也不能接受的，阿南惟几和11军都需要通过这次大战来证明自己。阿南惟几当场撕掉了电报，不顾尚未集结完毕第3集团军，命令先行到达的第40集团军务必于24日向对岸发起最猛烈的进攻。
12月26日，20军和58军已完成阻击任务，开始向两侧撤退。新墙河防线上不到两个军的兵力竟然迟滞了日军3个师团三天，这大大出乎阿南惟几的预料，不过20军和58军并未遭受灭顶之灾，而是顺利的南撤了。阿南此次的任务是消灭国军主力部队，因此日军开始向南进攻汨罗江防线。此时的薛岳正在紧紧地盯着阿南惟几的这三个师团，他很担心阿南会不会在此时突然命令撤军，因此他必须继续引诱日军向长沙靠近。
当时薛岳安排在汨罗江防线上的是37军和99军，99军的战斗力较弱，因此阿南惟几将主要火力都集中在了37军的身上。37军按照薛岳的命令，奋力抵抗，将日军拖在汨罗江防线。尽管阿南惟几一再要求部队进攻强度、提高进军速度，但结果并不理想。因为日军这次作战没有向第二次长沙会战时那么多的重型火炮支援，所携带的弹药和补给也非常有限。
同时，第九战区看似布置的兵力薄弱，但实际上战前做了充分准备。为了迟滞和消耗日军，国军发动群众再一次破坏了从新墙河到汨罗江一带的所有道路，同时掘开稻田，平江地区成为了一片沼泽，脚穿猪皮军靴的日军在泥水之中艰难跋涉。撤出新墙河防线的20军和58军并没有完全南撤，而是在左右两翼不断的侧击、袭扰在泥沼中艰难行进的日军。
日军的进攻仍在继续，37军也在抵抗中且战且退，阿南惟几为了尽快消灭37军，命令第三师团从侧翼迂回到其背后，准备合围37军。薛岳立即看出了阿南惟几的意图，于是命令37军立即向南部山区撤退，将汨罗江防线让与日军。阿南惟几认为37军突然撤退是害怕被围歼，同时他发现此时的第九战区兵力空虚，除了汨罗江防线上的两个军之外，长沙最后一道防线上只有驻守捞刀河、浏阳河一线的国军第10军。只要歼灭这个37军，长沙就是囊中之物了。
阿南惟几立即将战场情况向中国派遣军报告，同时请求允许他进攻长沙。中国派遣军总司令官畑俊六自然知道阿南的这个请求有很大的风险，但这也似乎是中国派遣军难得的机会，于是批准了阿南惟几的请求。12月28日，畑俊六回复同意阿南的新作战计划。于是，阿南惟几向各部队下令，继续向南，攻击长沙。
阿南惟几再一次更改命令让各部指挥官有些不解，此次他们的兵力不多，并且补给有限，尽管情报上显示国军兵力空虚，但他们所遭遇的阻击力量并没有减弱，到处都有中国人在向他们射击，并且泥泞的道路让士兵们苦不堪言。
当时已是深冬季节，就在阿南下令攻击长沙的当天，湖南北部降下了雨夹雪，中国南方的冬天又湿又冷，冰、雪、水同时存在，这种气候让日军士兵很不适应。糟糕的交通状况和游击队的袭击使得日军补给部队根本无法将补给送到前线部队的手中，阿南惟几只好命令空军协助空投补给给前线部队，但也是杯水车薪。
尽管困难重重，但在阿南惟几的眼中，长沙就在眼前，唯一的障碍不过是一个小小的第10军，重塑第11军辉煌的时刻就要到来了，因此他不顾一切强令部队继续进攻。37军撤退了，但日军并没有全部立即渡过汨罗江，因为此时由于连日的大雨雪，汨罗江水位暴涨，冰冷刺骨的河水让日军无法徒步过河，只能等待工兵部队架桥渡河。
在阿南惟几一再的催促下，日第3师团于12月31日到达长沙郊区，并开始强渡浏阳河，随后，第6师团、第40师团各部也陆续从汨罗江防线向长沙进军。自此，日军三个师团已经逐步进入薛岳布置的天炉炉膛，阿南惟几到这个时候依旧认为长沙地区的兵力非常薄弱，绝对不超过两个军，只要稍微进行攻击，国军就会一触即溃，于是他命令第3师团先头部队不用等待后续部队跟进，直接开始攻击第10军阵地。
薛岳看得清清楚楚，阿南惟几正在按照他的预想把日军3个主力师团送进来，于是命令外围部队立即向长沙靠拢，务必于1月4日前，完成对日军的包围，最终聚歼日军。各部在接到命令之后，日夜兼程火速驰援长沙。第九战区罗卓英部第十九集团军，王陵基部第三十集团军、杨森部第二十七集团军、战区直属37军分别从四面八方向长沙疾行。
同时，重庆方面再次将抗日铁军国军王牌王耀武的七十四军划拨第九战区，立即赶赴长沙外围堵截日军，增援香港的第四军也已经回师。到这个时候，阿南惟几仍然没有意识到有二十余万大军正在向他包抄过来，他眼中此时只有长沙。
1941年最后一天的晚上，激战开始了，日军开始向驻守长沙的第10军发起了最后的进攻。此次驻守长沙的是国民革命军第10军，军长是抗日名将李玉堂。1939年李玉堂率第10军将士在棺材山阵地阻击日军，尽管遭到日军猛烈攻击，所部损失甚重，但依然坚守阵地稳如泰山，又因为李玉堂是山东人，因此国军总部授予其「泰山军」的英雄称号。
不过，在第二次长沙会战中，第10军在金井地区立足未稳就遭到日军三个主力师团的强攻，为避免全军覆没，李玉堂在没有得到薛岳允许的情况下率部撤往长沙，后在长沙外围构筑防线继续阻击日军。战后，国军总部以李玉堂擅自撤兵为由撤销了其军长一职，李玉堂不服，竟然当面责骂薛岳，二人一度关系不睦。李玉堂被撤职，第10军将士极为愤慨，纷纷为李玉堂抱不平，认为上峰的做法不公，第10军一时间群龙无首。
很快第三次长沙会战开始，薛岳的天炉战法需要一支能打硬仗的部队在长沙死死顶住日军的进攻，这支部队就是天炉的炉膛，无论如何不能被击穿。薛伯陵把第九战区所有的部队捋了一遍，只有第10军，而且必须是李玉堂亲自带的第10军才能顶得住。为了顾全大局，薛岳亲自登门请李玉堂出山，没想到李玉堂是个驴脾气，根本不买薛某人的账，还把他这个堂堂第九战区司令长官给骂了出来。薛岳没有办法，只得向蒋介石求助，关键时刻蒋介石亲自以黄埔军校校长的身份打电话给李玉堂，命他死守长沙，于是李玉堂重新披挂上阵，以第10军代理军长的身份驻守长沙城。
尽管长沙城在1938年曾遭遇「文夕大火」，但此后因战事需要一直在不停地修建防御工事，第二次长沙会战中日军曾攻入长沙市区与国军展开巷战。薛岳发现一旦日军和国军在市区进行巷战，日军的优势顿时全无，尽管日军士兵训练有素，近身格斗能力很强，但他们对长沙市内道路地形不熟，队形优势无法发挥。况且国军主力部队都配备了冲锋枪，在短兵相接的时候完全占据上风。
所以，薛岳命令李玉堂在一面在长沙外围构筑坚固工事，阻击日军正面进攻，另一方面还要积极准备巷战，充分利用长沙市区的建筑和已有工事截杀日军有生力量。同时，薛岳将指挥部设在长沙市内的制高点岳麓山上，实时观察战场情况，并把战区直属炮兵团也安排在了这里。第九战区的十门150毫米榴弹炮可以覆盖整个长沙市，随时可以支援李玉堂部的战斗，另外再配属两个炮团，集中了近四十门大口径山炮，足以给日军致命打击。
自12月31日夜日军开始进攻长沙市区，至1月4日，日军三个师团主力与第10军在长沙地区展开了殊死搏斗。第10军将士在李玉堂的率领下抱定必死决心，誓与长沙共存亡，他们依据长沙外围坚固的防御工事抵挡日军进攻。每当日军即将攻破第10军外围阵地的时候，岳麓山上的重炮群就会向日军阵地开始猛烈轰击，日军先后发动数十次冲击都被打退。第10军的顽强抵抗，大大出乎阿南惟几的预料，为了尽快突破第10军防线拿下长沙，阿南惟几命令擅长夜战的加藤支队趁夜色潜入长沙，寻找时机从背后攻击第10军。
李玉堂是身经百战的沙场老将，早就料到日本人会玩背后偷袭的小把戏，所以提前在长沙市内各处民房内安插了大量散兵游勇，一旦发现日本人偷偷潜入，就先放进来，然后关门打狗。倒霉的加藤不知道人家早就布下了打狗阵等着他钻进来，自己就乖乖地溜进来了，当天夜里连同加藤在内的四名日军军官就被守株待兔的国军士兵给打死了。
加藤被打死之后，日军的行踪暴露，按照常理这个战法就没有意义了，但是日军加藤支队却接连几次向加藤被击毙的方向发起冲击。几次激烈交火之后，负责防御的守军弄清了日军的意图，他们是想抢回加藤的尸体，加藤不过是个支队长，他的尸体绝对不值得日军冒死争夺，肯定是他身上有什么重要东西。
于是国军士兵也开始拼命抢夺加藤尸体，倒霉的加藤死后又被双方来回折腾了几次，最终被国军抢到。国军士兵在加藤身上搜出了一份情报，立即呈报九战区司令部，薛岳很快就拿到了这份重要情报。
加藤身上的情报显示，日军的后勤补给已经中断，现在完全依赖空投补给，根本无力支撑3个师团的持续进攻。要命的是日军的弹药已经告急，此前日军计划只是进攻新墙河一线的国军，一线日军每人只携带了百余发子弹。但阿南惟几一再命令日军深入进攻，并且被国军迟滞，消耗过大，现在已经到了弹尽粮绝的时刻，若一两天之内不能攻下长沙，则必须撤退。
薛岳感觉到时机已到，此时外围部队也已陆续接近长沙外围，部分先头部队已经开始进入集结地点。1月5日，薛岳命令第九战区所有部队开始对日军实施包围，并非发起攻击。直到这个时候，阿南惟几才恍然大悟自己的3个师团已经陷入了薛岳数十万大军的重重包围，并且随时有被围歼的可能。为了避免数万大日军被围歼，阿南惟几急令各部立即调转方向，撤出长沙，向北突围。薛岳随即发现了日军逃跑的迹象，立即命令各部依据自身位置对日军发起追击，争取全歼11军。
这个时候的日军很清楚，他们现在不是在撤退，而是在逃命，如果跑不出去，就会被中国军队抓住处死，三个日军师团抛弃辎重、火炮，疯了一样拼命向北逃窜。即便途中遭遇到国军部队的侧击，也不曾减速，他们甚至顾不上反击，目的只有一个，用最快的速度突围。
这个时候的湘北战场上出现了自抗战爆发以来的罕见场面，向来所向披靡的日军此时竟然被一败再败的国军追着打，并且日军损失极为惨重。从长沙至新墙河的各条道路上，田地间，乡间小道，山林里外，到处是日军丢弃的武器、弹药和各类火炮以及日本士兵的尸体。据战后幸存日军的回忆，大部分战友的尸体都被抛弃在了湖南的田地里，甚至连一点遗物都来不及带回来，那是一生中最恐怖的回忆。
日军自1月4日夜间开始撤退，直至1月15日才最终撤回到新墙河北岸，第三次长沙会战宣告结束。日军撤退途中遭遇国军以及湖南民众的围追堵截，折损严重。据国军战后公布的数据，此战毙伤俘敌五万六千余人，日军大部被歼，国军大获全胜；而日军没有对外公布战损，只在战后史料中记载阵亡一千六百人。不难看出，双方在数据上都有部分夸大或隐瞒，但日军最终未能拿下长沙，并遭遇惨败是不争的事实，最终第三次长沙会战以国军全胜告终。
此战是国军自抗战以来所获最大胜利，歼敌甚多，并且国军在与日军的正面对抗中已经可以达到势均力敌的程度，也说明了国军实力大大增强。此战后不久，国民政府正式与英美等国签订反法西斯同盟协议，中国成为世界反法西斯战线上不可或缺的力量。美国政府在不久之后致电蒋介石，祝贺长沙大捷，并向中国增加五亿美金贷款，英国方面为加强同中国合作，主动废除了和中国签订的一切不平等条约。蒋介石也因为此战被推荐为中国地区盟军最高指挥官。因此第三次长沙会战意义重大，而名将阿南惟几也因为此战的惨败被撤职弃用，日本投降当日阿南惟几剖腹自尽，以日本武士的愚蠢行径证明了日军之败！
经此一站，薛伯陵再次被赞誉为中国抗日第一神将，荣登人生巅峰。但骄兵必败是一个千古不变的道理，谁也没有料到，强弩之末的日本，竟然在垂死挣扎之际集结三十六万大军，再次向长沙袭来。风雨飘摇中的长沙能否再次挺过这次浩劫？
