1941年12月下旬，日軍在第二次長沙會戰收兵之後，才只過了兩個多月，就又捲土重來了。因爲第二次長沙會戰日軍成功的打擊了第九戰區國軍戰鬥力最強的兩個部隊，也就是第十軍和七十四軍，都造成了傷亡過半的損失，基本上失去了戰鬥力，戰後被迫轉入補充休整，因此這次日軍捲土重來，希望能再殲滅一部分國軍主力部隊，鞏固其華中佔領區。

日軍仍然是四處調集軍隊，拼湊出了十萬餘人的軍隊，分多股以廣正面強渡新牆河各汨羅江，迅速向長沙方向猛攻。國軍則在第一線和第二線進行逐次抵抗之後，各部隊都分別轉入山區，也就是日軍的外線，在瀏陽河和撈刀河之間也沒有進行高強度抵抗，只是稍作抵抗，就放棄了陣地，日軍繼續深入，終於到達長沙城下。

按照此前戰區參謀部策定的作戰計劃，就應該是這樣，在日軍從北路進攻時，逐次抵抗，誘敵深入，第一線部隊適時轉入外線，將日軍放到長沙附近，放手讓日軍進攻長沙，等到日軍攻勢頓挫，再下令國軍外線部隊向長沙增援，從外線對日軍進行包圍，並壓縮到撈刀河與瀏陽河之間的三角地帶殲滅之。這也就是《長沙保衛戰》中幾乎快要北吹上天了的天爐戰法。不過，第一和第二次長沙會戰都未出現這種局面，日軍來的快，去得也快，國軍沒有機會包圍日軍日軍就撤回去了。

此時，按照薛嶽的部署，在長沙充當爐膛的不是別人，正是上次在第二次長沙會戰中傷亡慘重，剛剛完成補充的第十軍。而在城內擔任守備任務的，主要是周慶祥爲師長的第三師，其餘兩個師與第三師成掎角之勢。爲了加固爐膛，以防萬一，薛嶽還特地命令七十三軍派一個師到長沙，協助第十軍防守長沙，殺傷日軍，爲外線部隊增援爭取時間。七十三軍派出的正是韓浚任師長的七十七師。《特赦1959》中的葉立三的原型就是這個韓浚，履歷完全對的上。

就兵力來說，日軍先後投入進攻長沙的部隊總計約六萬人，主要是從北面，東面，和南面包圍長沙。而國軍第十軍當時全軍約二萬人稍多一些，來增援的七十七師也只有六七千人，人數並不算多，加起來用於守城的部隊也不足三萬人，與日軍攻城部隊的兵力對比爲一比二。以裝備水平和戰鬥力，士兵的戰術素養來說，這個數量的日軍如果是野戰，足夠對付二十萬以上的國軍。但沒想到，這次日軍卻喫了個癟，而且是很大的癟。

爲什麼日軍這次會喫癟呢？就是因爲日軍忽視了湘江西岸的嶽麓山的戰略重要性，而國軍卻充分注意了發揮這個戰略要地的作用，擺了兩個美式裝備組成的炮兵團。除了第十軍自己下轄的一個炮兵團，還有第九戰區的一個炮兵團，薛嶽也交給了李玉堂指揮，以加強第十軍的防禦力量。而日軍因爲是長途奔襲，道路被國軍和民衆破壞，運輸不便，進展速度又太快，所以這次到達長沙前線的重武器數量並不多。

這樣，一打起來，日軍很快就發現情況不對勁，這次國軍的炮火之猛烈，遠遠超過以往，而且很快就完全壓制住了日軍的炮火。更要命的是，信心國軍的兩個炮兵團就擺在嶽麓山上，而這是一個可以瞰制長沙全城的主戰場的制高點，又被國軍炮兵佔領了。所以，日軍剛像以往一樣，攻城之前纔開始炮擊，就被國軍以猛烈炮火進行了制壓射擊，一輪猛轟下來，日軍的炮兵陣地就被壓制住了，無法繼續支援日軍作戰。日軍以往擅長的以飛機轟炸國軍炮兵陣地的打法，這時候也因爲國軍以機槍火力封鎖，飛機轟炸也沒有奏效。

所以，第三次長沙會戰第一次出現了雙方攻防形勢完全轉換的情況，日軍的炮火完全被國軍壓住了，以至於出現了日軍一個炮兵旅剛開始攻擊，就被國軍炮兵一頓猛轟，失去了戰鬥力。日軍沒有辦法，只有倚仗其兵力優勢，以密集隊形和僅有的重武器向國軍陣地猛攻，畢竟，日軍的戰鬥素養比國軍高，數量又佔優勢，所以，雖然嶽麓山的炮兵陣地對日軍形成了重大殺傷，但是很快炮彈就用得差不多了，只能由守城部隊和日軍進行短兵相接的戰鬥。

日軍猛攻了一星期，還是沒有完全將長沙城內的國軍守軍完全消滅，這時候其實就已經比較危險了，但日軍指揮官不僅沒有馬上意識到國軍這是在爲增援部隊爭取時間，反而企圖趕在國軍增援部隊在外線形成合圍之勢之前，就攻下長沙。其實，這時候日軍的後勤補給線已經被國軍切斷，給養困難，再攻下長沙也意義不大了，但是日軍指揮官阿南惟幾卻仍然堅持一定要攻下長沙再全線撤退。更要命的是，日軍這個企圖在七十七師繳獲的日軍文件中被國軍發現了，也就失去了撤退的有利時機。

國軍確認日軍戀戰，而第十軍的抵抗已經對日軍造成了重大殺傷之後，薛嶽按耐不住一陣狂喜，籌劃已久的天爐戰法這次終於可以大顯身手了，機會來了。於是，薛嶽下令外線各部隊加速向長沙附近前進，合圍日軍，並將日軍壓迫在撈刀河和瀏陽河之間的三角地帶加以殲滅。很快，國軍外線部隊分別趕到外線，對日軍形成了合圍之勢，日軍終於陷入了被動，整個進攻長沙的部隊都已經陷入了被包圍的態勢，而且糧彈兩缺，增援部隊又北國軍不斷阻擊，無法突破。

因此，第三次長沙會戰是薛嶽的天爐戰法的唯一一次真正意義上的勝利，對日軍造成了嚴重損失。日軍在久攻長沙不下，外圍又被國軍包圍的情況下，最終只能陷入苦戰，邊打邊退，而國軍則不斷追擊，日軍損失慘重。按照戰後國軍的宣傳，第三次長沙會戰日軍的損失應該在四萬人以上，這個數據應該不可信，而日軍自稱的傷亡四千餘人也不太可能，但日軍損失兩萬人左右應該是沒有問題的。