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长沙外围日军撤退前一天（1月3日），军委会曾向第九战区下达训令：
（1）该战区应速严令各部向长沙附近敌人围击，务确实截断敌人退路，包围捕捉敌人于战场内而歼灭之。
（2）应速以一部先期击破汨罗江敌人，占领各渡口；并即令孔荷宠部（暂54师）配合游击队，迅速向武昌挺进袭击。
（3）如敌突围北窜，应以第73军由长沙下游渡江，另以一部由金井附近分向汨罗江北岸超越追击，封锁汨罗江各渡口，阻止敌人退却；主力向敌跟踪猛烈追击，同时以有力一部向岳阳挺进，乘虚袭取之。
（4）向敌追击时，第10军仍应守备长沙。
1月4日，薛岳致电蒋介石：合围反攻作战即日开始，战区正督励各部“务勇猛前进，彻底歼敌，如敌由某部队作战地域内逃窜，即严惩该部各级主管及幕僚！”
蒋介石复电：号召各部杀敌建功，“如敌由某部正面逃窜，即枪决其军师长！”
4日晚，第九战区获知日军撤退后，立即命令原准备在长沙附近合围日军的各部队改变任务，转为由不同方向堵击或追击撤退的日军，以期“在汨罗江以南、捞刀河以北地区”“彻底歼灭败逃之敌”。其部署为：
（1）罗（卓英）副长官为追击军总司令，指挥第26、第4、第73军于5日拂晓前开始，以第26军由牌楼铺、东屯渡经枫林港、麻林桥、梁家桥（福临铺东北八里）、麻峰嘴、栗山巷、长乐街道，向长乐街、伍公市追歼败逃之敌。第4军由阿弥街、左家塘，经东屯渡、石灰嘴、青山市、福临铺、李家坡、双江口道，向新市、兰市河追歼败逃之敌。第73军由长沙经石子铺、马鞍铺、新桥、栗桥、马山神、武昌庙、骆公桥道，向骆公桥、归义追歼逃敌。
（2）杨（森）副长官为堵击军总司令，指挥第20军、第58军在象鼻桥（含）、福临铺、栗桥（含）自北向南堵击北溃之敌，不得任敌由长乐街、骆公桥间窜过汨罗江北窜。
（3）王（陵基）副长官为东方截击军总司令，指挥第37军、第78军在枫林港以北、长乐以南地区，自东向西截击北溃之敌。
（4）第99军军长傅仲芳为西方截击军总司令，指挥第99军及第140师（师长李棠），在石子铺以北、新市以南地区，自西向东截击北溃之敌。第197师固守原防。第99师之一部固守湘阴、营田。
日军第6师团因有第45联队留守朗梨市及渡口，撤退较为顺利，5日凌晨即退至朗梨市。第3师团开始向东山撤退时，第79军已进至东山附近浏阳河东岸，并将渡桥炸毁。5日凌晨2时，第3师团到达东山时遭到第79军堵击。此时第4军一部也由长沙城南向朗梨市迂回，遂从侧面向日军第3师团实施侧击。
在第79军和第4军夹击下，日军第3师团陷于混乱，死伤甚众，被迫沿浏阳河南岸向磨盘洲退却，企图仍从来时渡河点徒涉过河，但遭到北岸第79军密集火力堵击，死伤及溺死者达五百余人，因而再次改向第6师团所在的朗梨市退却。6日凌晨退至浏阳河北岸，与第6师团会合。
这时中国第4军、第79军及第26军也跟踪追至朗梨市附近，向日军发起攻击。第3、第6师团并列北退，中**队紧追。7日凌晨，两师团退至捞刀河北岸、枫林港地区。
日军第40师团由金井向春华山前进时，沿途遭到第37军多次阻击与侧击，其第236联队伤亡惨重，第2大队长水泽辉雄、第5中队长三宅善识及第6中队长关田生吉等均被打死。到达春华山地区，又遭第78军攻击。7日夜脱离战斗，向学士桥退却，伤亡惨重。
1月8日，日军第3、第6师团由捞刀河北岸继续北退，沿途遭到中**队截击、侧击。进至青山市、福临铺、影珠山地区时，遭到第73、第20、第58、第37军拦截阻击和第4、第26、第78军追击，第3、第6师团被包围于该地区。
为接应第3、第6师团撤退，阿南惟畿令独立混成第9旅团南下解围。8日晚，该旅团向影珠山发动进攻。在该地区担任堵击的第20军、第58军立即进行反击。经彻夜激战，将该旅团击溃，并将其一个大队包围于影珠山附近。战至9日10时，该大队除一名军曹逃脱外，大队长山崎茂以下全部官兵被歼。
1月10日，第6师团企图向北突围，其第13联队被第20军和第58军分割包围于冯家塅附近，遭到猛烈围攻。第1飞行团出动飞机支援，第13联队仍未突出重围。联队长友成敏惟恐被歼后文件落入中**队之手，下令将文件全焚。
阿南惟畿得到第6师团被分割包围的报告后，立即令第3师团、第40师团及第9旅团分别从麻林市东、象鼻桥和影珠山以北向福临铺及其以北地区推进，一方面解第6师团之围，一方面集中兵力向北突围撤退。
1月11日，日军第6师团及第3师团陆续突出拦截线，第40师团也从春华山东侧北撤。第99军、第37军再次在麻石山、麻峰嘴等地进行截击。日军一面抵抗，一面撤退。至12日，日军退至汨罗江北岸才得以收容、整顿。
中国第20军、第58军、第73军、第4军、第37军和第78军尾追至汨罗江南岸后，第78军于13日从浯口渡过汨罗江，向长乐街以北实施超越追击。
汨罗江至新墙河，夏守勋第78军、陈沛第37军、李棠第140师摆开阻截日军的最后一道防线。14日，突围与反突围战斗激烈。日军大批汽车开到此地被炸毁三十余辆。大批日机低空射击掩护地面部队突围，第140师一名班长用轻机枪对空扫射，竟击落日机一架。
日军渡过汨罗江，在所经过村庄的墙壁上到处可见中文、日文标语：
“大刀向鬼子的头上砍去！”
“湖南是倭寇的墓场！”
“湘北是日本鬼子的坟地！”
“强盗滚回你们的海岛去！”
1月15日，日军退至新墙河北原防地。中国第20军、第58军、第78军等一面寻歼汨罗江以南残留日军，一面向新墙河以北日军阵地实施袭击。至16日，基本上恢复了战前态势。日军第11军指挥所也撤回汉口。至此追击作战结束。
会战期间，日军第1飞行团动用侦察第44战队、战斗第54战队和独立第18中队五十余架飞机，支援其他地面部队作战，给中**队造成一定伤亡。
这时中国空军尚未恢复实力，作战飞机数量尚少。1月8日，当日军败退途中被围困于福临铺地区时，中国空军第2大队从成都起飞九架轰炸机，至长乐街轰炸，以切断日军退路，配合围歼作战。返航途中遭到日军第54战队八架战斗机攻击。第2大队边战边退，击落日军战斗机一架，击伤两架。
第2大队也损失轰炸机两架，但创下了以轰炸机击落战斗机的成功战例。