国军炮兵阵地设在了岳麓山，岳麓山观测条件好、易于隐蔽，地形上既能俯瞰长沙全城，又能有效扩大炮火打击范围，最远可覆盖至河东的树木岭等地。阵地部署了8门火炮，包括俄造762毫米野炮、两门“卜福斯”山炮，以及两门德制150毫米sfh18重榴弹炮，就是这两门德制炮起到了关键作用，仅6枚炮弹便歼灭300余名日军，对压制日军火力起到决定性作用。
两军在长沙城郊展开激烈的拉锯战，外围国军从东、西、北三面切断日军退路，形成反包围，切断了日军的补给线。日军补给线被袭、伤亡惨重，补给困难被迫于1月4日后撤。
薛岳敏锐捕捉到战机，命令国军全线追击、侧击，重创日军。至1月15日将日军驱回新墙河以北，恢复战前态势。
这战之后，武汉日军再也不敢轻易拔第9战区的虎须，直到44年豫湘桂战役才进行了第四次长沙会战。
此役共毙伤日军569万人，自身伤亡28万人。这是太平洋战争发生以来盟军取得的首次胜利，是在盟国普通溃败之下的唯一光辉，极大鼓舞了同盟国阵营的士气，坚定中国抗日的决心。让盟国看到了中国在反法西斯战场中的价值。
此战后美国提供了5亿美元贷款，加速对华军事援助。盟国废除了对华不平等条约，归还租界，中国的国际地位得到了极大的提升。
薛岳个人也到达了军事生涯的巅峰。万家岭大捷、三次长沙大捷使得薛岳成为了中国歼灭日军最多的将领。日军将薛岳视为中国战场最难缠的对手之一。
日军第11军军长阿南惟几对长沙会战日军失利，负有不可推脱的责任。但失利之后，他并没有被立即撤职，而是继续担任11军的司令官，直到半年转任在东北关东军的第2方面军司令，职业还获得了提升。裕仁天皇之所以没有惩罚阿南惟几，他效仿了明治天皇对待乃木希典的旧事。因为裕仁很清楚，阿南惟几是和乃木希典一样的人，忠诚无二。如果因为长沙会战的失利降罪于他，那么他很可能为了武士的荣誉自裁。
后来阿南惟几去到新几内亚战场，参与对抗美澳联军的反攻作战。在那里阿南惟几打得更不