面對日軍猖獗的進攻，第九戰區也是早有準備，在薛嶽的指揮下，第4軍的第59、第102、第90師和第37軍配屬的第60師被調到了新牆河南岸駐防,這些部隊大都是經過大雲山戰鬥，與日軍第11軍交過手。
與歷史上第九戰區倉促應戰不同的是，此時第九戰區早已判明瞭日軍的意圖，因此早在幾個月前就開始加固新牆河一線的防禦陣地，不像歷史上那樣，日軍都已經到達了預定的攻擊位置，第九戰區還沒有搞清楚人家的目標是什麼。
說到這裡就不是不說一說歷史上第九戰區的遲鈍反應了，第九戰區雖然與日軍第11軍多次交手，但是都是記吃不記打，這個第11軍不僅僅是日軍最爲精銳的野戰部隊，同時也是侵華日軍中惟一以機動作戰任務爲主的野戰軍。歷史上自從武漢失守以來,日軍向正面戰場發動的多次進攻,除桂南會戰是由華南方面軍、中條山會戰是由華北方面軍發動的以外,都是由這個第11軍發動的。
按道理說中國軍事情報工作部門對這個第11軍的動向給予更敏銳、更密切的監視，但是事實上第九戰區對此根本一無所知，第11軍爲準備此次會戰,從8月中旬起即從鄂西、鄂南、贛北抽調部隊,向湘北集中。如此大規模的部隊調動,無論是軍事委員會的戰略情報部門,還是第三、第五、第六、第九戰區的戰役情報部門,抑或是與日軍當面接觸的各部隊戰術情報部門,在長達1個月的時間裡都毫無察覺,直到日軍要發動全面攻勢前一兩天,才發現日軍已在湘北集結重兵,足見中國各級軍事情報部門的麻痹和疏懈。
而第九戰區因情況不明,對會戰無從進行、也來不及進行有針對性的準備,其第一線守備部隊第4軍、第58軍甚至被日軍吸引,膠着於大雲山,後乘夜匆匆轉回新牆河以南,喘息未定,日軍已開始總攻。日軍成功地隱蔽了戰役企圖,發揮了戰役突然性,而第九戰區在會戰第一步就喪失了時機,倉促應付,在日軍閃電式的攻擊面前步步失策。
同樣,第六戰區對日軍第13師團平淵支隊和獨立混成第18旅團的調走也毫無所知。待1個月之後,在湘北戰場發現第13師團部隊南調,再部署對宜昌反攻,爲時已晚;開始反攻時,日軍已結束長沙作戰,平淵支隊即將返轉宜昌。倘能及早發現,早作預備,提前數日發起反攻,則宜昌必能克復。反之,日軍特種情報部門卻多次破譯第九戰區電報,對第九戰區部署行動了如指掌,所以能及時調整部署着着勝算。
然而此時國民政府早早就知道日軍的主攻方向是在長沙，所以第九戰區在部隊的調動上極爲從容，而且還制定了詳細的作戰計劃，因此對於日軍的這次進攻，薛嶽還是比較從容地。他認爲日軍雖然來勢洶洶，但是總兵力不過五六萬，而他手中卻有三十餘萬大軍，雖然說不一定能戰而勝之，但是守住長沙應該不成問題。
但是事實上薛嶽還是高估了第九戰區的戰鬥力。11月8日拂曉，在阿南中將的指揮下日軍發起全線攻擊。經過大雲山戰鬥的試探，阿南唯幾已經對於第九戰區的戰鬥力有了一個很直觀的認識。尤其是當他在前線看到第27集團軍破爛的武器裝備之後，阿南唯幾就放心了。
在阿南中將看來，支那政府軍的戰鬥意志是毋庸置疑的，遠遠比他所知道的所瞭解的所看到的北支那的軍隊更有血性，在北支那的時候他可以指揮一個步兵聯隊輕鬆擊垮一個師的支那軍隊。每每出戰都是帝國皇軍在進攻，支那人不過是被迫防禦罷了，能打贏固然好，打不下來也沒關係，今天打不下來有明天，明天打不下來有後天。再堅固的工事也堅持不了多長時間，因此在北支那的時候，阿南中將對於支那軍隊很是看不上，不單單是因爲支那軍隊戰鬥力低下，更重要的是阿南中將認爲支那軍隊已經失去了軍人應有的血性，根本就不配稱之爲軍人。
但是經過大雲山之戰，阿南中將明顯感覺到與大日本皇軍交戰的這支支那軍隊戰鬥力雖然不是很強。武器裝備也不好，但是戰鬥意志卻很高昂，那些個子比大和民族高不了多少的四川佬每每大戰都有一種有我無敵的氣勢，所以阿南中將不敢輕易冒險，在炮兵和航空兵到位之後，在加強了地面和空中的火力支援之後，日軍前線的部隊纔在戰車的配合下強渡新牆河。
阿南中將的戰術很成功，雖然第九戰區各部隊都進行了極爲激烈的抵抗。尤其是第4軍的第102師正面抗擊日軍第3、第6師團的集中攻擊,戰鬥尤爲激烈。激戰數小時,102師傷亡三分之一，所有重武器損失殆盡，連師部也遭到日軍航空兵的襲擊，副師長李建功重傷，參謀長黃衛華戰死。8日下午4點日軍渡河成功,突破守軍第一線陣地。
第4軍乃轉入長湖東、西第二線陣地,繼續抵抗。日軍第3、第6師團及早淵支隊沿粵漢鐵路兩側地區迅速向南突進,第3師團一部迂迴至第4軍側後。日軍平野支隊也搭乘海軍艦艇沿洞庭湖東側前進至湘江口的青山附近登陸,與主力協同,向該方面守軍第99軍展開進攻。不過就在日軍陸空聯合打擊，試圖擊潰第四軍，攻佔守軍的第二道防線之時。由河南鄭州機場轉場的北方空軍戰鬥機第7大隊抵達戰場，對戰場上肆虐的日軍航空兵展開了圍殺。
這次空戰進行的時間並不長，從糾纏到結束也不過十多分鐘，時間雖然不長。但是戰果卻極爲輝煌。第7大隊首戰告捷，一舉擊落日軍新命名的零式戰鬥機32架，擊傷9架，日軍出動的60架戰機只逃回22架，剩下的不是被擊落就是受傷後在歸途中墜毀。
有了第7大隊的空中增援，新牆河一線的部隊迅速掌握了制空權，終於穩住了陣型，沒有被日軍一日之內連下兩道防線。但是日軍白天的進攻還是將第九戰區的高層嚇出來一身冷汗，雖然他們覺得已經高估了日軍的戰鬥力，但是現在看來日軍的進攻力度遠比他們想象的還要犀利，今天要不是北方空軍恰好趕到，恐怕第四軍根本守不住第二道防線。
爲了加強新牆河一線的防禦力量，8日晚上10點,第九戰區長官部發出緊急命令，令第72軍從修水、三都地區西進至通城附近,並指揮暫編第54師,準備擔任該方面的反擊作戰;令第20軍(缺暫編第54師)進至王安屋、朱公橋方面,協同第58、第4軍向西側擊渡河南進的日軍，以加強湘北方面主戰場力量。
接到第九戰區長官部的命令之後，川軍第20軍軍長楊漢域不敢怠慢，立即指揮軍隊由桃樹港向朱公橋疾進,並且在9日黃昏前到達指定位置。爲了給第20軍爭取時間，第58軍在高家橋附近與當面日軍激戰。第58軍軍長孫渡知道第58軍現在所處的位置，無論如何必須撐下去，爲楊漢域所部爭取時間，否則的話戰區長官部的部署就成了泡影，數萬大軍將會徹底陷入苦戰，因此他親自到前線督戰。
與此同時，第4軍的第59、第60、第90師陣地也均遭到日軍第40師團攻擊,激戰竟日,雙方仍在對峙中。日軍第3、第6師團快速向南突進,傍晚分別到達汨羅江北岸的石頭鋪、長樂街附近;第6師團還以一部從磨刀石渡河,與南岸守軍第37軍在顏家鋪、浯口一帶交戰。
這時,第九戰區在汨羅江南岸擔任守備的部隊只有第37軍的第95、第140師和第99軍的第92、第99、第197師。薛嶽認爲日軍主要兵力都被牽制在了新牆河北岸，所以,薛嶽打算在汨羅江兩岸與日軍決戰，並且反擊殲滅日軍。
於是命令第37軍(欠第60師)守備浯口至駱公橋之線;第99軍的第99師守備絡公橋以西、營田至湘陰之線;第92師推進於三姐橋以北,佔領陣地,統歸第37軍軍長指揮,堅決阻擊日軍;第26軍主力即由瀏陽開赴金井附近;第72軍改調平江,準備作戰。隨後,第九戰區又命令第27集團軍各軍向汨羅江以北日軍側背的長樂街、磨刀石、歸義、新市等地攻擊,遲滯其南進;命令第26軍由金井向甕江推進;令在衡山、淥口的第10軍即向高橋、金井一帶開進。
第二次長沙會戰戰場雖然在長沙外圍，但是它卻牽掛着包括老蔣在內所有人的心。11月9日，軍事委員會電令第九戰區固守湘江兩岸及汨羅江南各既設陣地,加強抵抗,保持主力於外翼,力求攻擊敵之側背;令第三、第五戰區乘虛向當面敵人攻擊,以策應第九戰區作戰。
同時令第六戰區向荊州、宜昌地區日軍積極襲擊,相機收復宜昌。軍事委員會除明確將第10、第26軍撥歸第九戰區指揮外,還命令從第六戰區抽調第79軍、從第七戰區抽調暫編第2軍增援第九戰區。