但是日军显然低估了长沙守军的抵抗意志，在遭到进攻之后，驻守长沙的第10军立即还击，双方隔着城墙以及护城河还有长沙外围的永久性工事展开了争夺。第九战区长官部给长沙守军下达的可是死命令，即便是全军覆没也不能后撤半步，普通士兵跑了枪毙班长，班长逃跑就枪毙排长，排长逃跑就枪毙连长，要是连长也跑了，那营长和团长都拉出去枪毙。
另外长沙城的工事从1939年就开始构筑，虽然历经战火，但是依然十分坚固。最重要的是日军第三师团缺乏炮火支援，日军方面倒是不缺少大炮，但是由于道路限制，炮兵无法同步兵一起行动。
况且就算道路没问题，以日军现在的状况，弹药也跟不上消耗，所以日军进攻长沙部队只有少量炮兵支援，而此时第九战区为了守住长沙，特意将战区直辖炮兵和第10军的炮兵部队集中由第10军统一指挥，共约两个炮兵团，装备有80余门步兵炮以及46门重型山野炮，一举在火炮方面超过了日军第三师团。
为了打赢这一仗，老蒋特意将在昆明驻扎的美国飞虎队调到了成都，以此来对付日军的陆航部队。
苦战一昼夜，日军没有取得任何进展，反而损失了一千余人。9月4日上午9点，就在第九战区正准备下达反攻命令的时候，日军突然改变进攻方式，分兵窜长岭、南元宫、军储库各附近，试图夺取储库和不远处的天心阁。
第九战区很快作出了反应，驻守北门的第190师随即反攻左家塘，南边预10师反攻军储库，同时预10师一部围歼白沙岭之敌，至晚上22时上两处阵地克复。而窜至白沙岭的加藤大队于当天下午2时左右与第九战区增援部队遭遇，指挥官加藤少佐当即被一枪击穿腹部，不久毙命。其余军官相继战死，只有池田至兵长杀出一条血路告急。
日军随即发动了几次冲锋企图救出加藤，然而在守军的猛烈阻击下，日军几次攻击都劳而无功。战至4日夜间，被包围的加藤大队这一部全灭。
白沙岭战役对于第九战区极为重要，对日军来说，加藤的死不仅仅是损失了一名大队长而已。但是第九战区却从加藤的尸体上得到了日军出动以来的各种计划和命令等件，得知了大量还未掌握的日军情报。更重要的是，第九战区终于确定了日军弹药缺乏这一重要情报。
薛岳随即调整战术，一方面命令各集团军按照预定计划快速向长沙外围合拢、围歼敌军；同时命令第10军进行反击，反击不是为了击溃或者是全歼日军，而是要他们牵制住日军，以防其撤退。
由于战术的调整，围歼长沙外围日军的作战计划被迫推迟到了9月6日。显然日军只看到了第三师团和第六师团已经兵临长沙城下，胜利在望，尚未发现在这两个师团两侧出现了大量的中国*军队，随时可能将他们包了饺子。
阿南惟几还在做着攻占长沙的白日梦，命令当面的第三师团、第六师团加大进攻力度，务必于3日内攻占长沙城。
接到命令之后，日军的进攻力度确实加强了不少，各部队再次拿出了不怕死的流氓战术，悍不畏死的冲向第10军的阵地，仅仅一天的时间，长沙东郊、北郊和南郊的前进阵地全部失守，东北方向**退守开福寺、上潘家坪、唐家巷、上大垅、湖积渡、陈家山、杜家岭、袁家岭、窑岭、长岭一线。南郊**固守侯家塘、扫把塘、冬瓜山等据点。
不过，日军方面也就到此为止了，由于后勤补给问题，第3师团的弹药几乎要用尽了。再加上这几天的作战导致该师团伤亡惨重，不得不全部兵力投入战斗，没有弹药没有预备队，第三师团的处境十分不妙。
另外，根据日军情报部门传回来的消息称，重庆方面将直接控制的预备队——支那政府军头号王牌第74军转交9战区指挥。该军除第58师留在衡阳整训外，主力立即开往横山、渌口、株洲。同时，商震的第4军也正在往长沙赶来。这种状况足以让日军不寒而栗。
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