后来我军大部队及时赶到，和日军展开全线激战。日军指挥官见久攻不下，居然把师团装甲大队全都压了上来掩护步兵强攻。好在20军准备充分，赵诚在长沙那会还帮他们做了不少反坦克地雷和反坦克手榴弹，日军二十四辆坦克还未突破外围阵地就被地雷炸毁了六辆，余下的在回撤途中又遭遇了拉雷和九二步兵炮的偷袭，结果什么战果都没达到就又白白丢下五辆。33师团恼羞成怒，又祭出了毒气弹这个法宝。
20军在淞沪会战的时候就吃过日军毒气弹的苦头，所以前年在安庆整训时就重点训练过防毒科目。前沿阵地指挥官一面命令大家带上防毒面具一面让人点燃阵地前方的茅草堆，大火引的热气流上升，日本人的毒气很快就被吹散了。
阴招使尽，无奈之下33师团只能拉开架势硬拼硬打，在20军和友军的联合打击下，伤亡惨重。几天后，33师团随身携带的弹药粮草消耗殆尽后又因补给线被我方切断，通过火力优势弥补部队战斗力不足的战术彻底失效。由于九战区前期的坚壁清野战术非常成功，日军消耗完随身携带的给养后突然发现无粮可抢、无处可以睡觉，有士兵甚至因为又累又饿在行军中昏倒。因此，不得不转攻为守。
其他日军进攻部队的状况比33师团略好一些，尤其第六师团这帮牲口，在发起进攻时就知道通过抢劫来“节约”给养，到后来别的部队因为抢无可抢时，他们的粮食储备才开始动用。但是，第六师团这种老部队在弹药供应方面遇到的麻烦是和33师团一样的。由于进攻线太长，九战区境内又多山地、丘陵，各种溪流湖泊又随处可见，为了给日军制造麻烦，甚至发动百姓引水淹没农田，到处都是一片泥泞，这对于日军依靠重装备打仗的队伍来说简直就是灾难。
随着战线的推进，日军发现不论是行军还是补给运输都越来越困难，很多道路连马车都无法通行，所有补给都只能依靠人背马驮。在极端情况下，只能依靠空投来补充必要的物资
日军苦战半月后，连第六师团这种有“节约传统”的部队都已经人困马乏。由于赖以逞威的重武器无法随大部队前进，所能依靠的攻坚武器不过九二步兵炮、迫击炮和联队所属的75山炮，但是在随身携带的炮弹被消耗一空后，在某些地段火力反而不如中国军队强大，中国军队甚至第一次在重武器方面形成了局部优势。
随着战事的推进，33师团的局面越来越糟糕，在得到后方支援后总算突破了我方一线阵地，结果半路上又陷入79军和20军共同建立的包围圈中，整个师团陷入一片混乱之中。最后还是在13师团的接应下才退回出发阵地。
战至10月1日，我军在长沙一线预伏的八个精锐师被日军侦察机发现，日军指挥官冈村宁次为避免更大损失不得不达了“总退却令”。日本人来的不易，回程更艰难，他们必须在缺粮少弹的情况下通过我军防区撤回到100余公里外的出发地。意想不到哦状况发生了，那些新兵多的部队和一些后勤单位突然发现自己居然有被吃掉的危险，以纪律和忍耐著称的日军队伍中居然出现了混乱。
薛老总见伏击不成立刻下达了追击令，20军的斩获自不必说，连全战区装备最差、战斗力最弱的黔军102师都派出两个团一路狂追100多公里。
说来也是好笑，日军被追的头昏脑胀，连停下来打一仗的勇气都没有，只是不断的分出小队到中队级别的人马进行阻击。由于弹药不济、又连日饿肚子，日军引以为豪的射术和拼刺都成了笑话。102师遇到阻击都是一拥而上，每次都能毙伤日军百人以上。就这样一路追到了国统区和日控区交界处的新墙河才算停下来。
作者八扇门老王说：第３３师团甘粕重太郎所部第一次长沙会战兵力。第３３步兵团（步兵第２１３、第２１４、第２１５联队）搜索第３３联队主力,山炮兵第３３联队主力，工兵第３３联队主力，辎重兵第３３联队〔第３３师团以步兵１１个中队、搜索联队２个中队、山炮兵２个中队、工兵１个中队留守原防地，另配属机关枪１个大队、战车１个联队（欠１个中队）、轻战车１个中队、山炮兵１个大队、野战重炮兵１个大队又１个中队、独立工兵１个联队、辎重兵１个中队、汽车１个中队〕