護法聯軍在北軍可能進攻的方向進行防禦部署：平江、通城方向的防禦由湘軍劉建藩、李仲麟所部擔任；瀏陽至醴陵方向的防禦由粵軍馬濟部擔任；常德至益陽方向的防禦由桂軍林俊廷部擔任；嶽州至羊樓洞方向的防禦由湘桂軍主力部隊擔任。
聯軍在嶽州至羊樓洞約五十公里的防區內，佈設多道防禦地帶。
第一防禦地帶從新店、灘頭至趙李橋、羊樓洞以南，長約二十公里，由湘軍第一師（欠第一團）和獨立第三旅第五團防守。
第二防禦地帶設在羊樓司、廖平鋪鐵路兩側，由獨立第三旅之第六團和桂軍韋榮昌所部之一旅防守。
第三防禦地帶設在臨湘（今陸城）至桃林一線，由桂軍賁克昭旅和湘軍第一師之第一團防守。陸裕光所部一混成旅和程潛所部五營駐守嶽州。聯軍的防禦配系，基本是以嶽州爲中心，以武（昌）嶽（州）鐵路爲軸線，實施重點設防，以對付嘉魚、蒲圻方向之敵的進攻；平江、醴陵方向的防禦兵力則比較薄弱。
一九一八年二月二十三日，已被提任爲陸軍第三師師長的吳佩孚，率先頭部隊抵達蒲圻。
在此之前，張敬堯率第七師等部已進抵通城。第二路張懷芝部因被在武穴屯兵主和的馮玉祥旅所牽，滯留九江，未能按期進入湘東待機地域。
吳佩孚對這次攻湘作戰最爲賣力。他剛任師長，躊躇滿志，急於想利用這次作戰樹立聲威，發展個人權勢。因此，他不待所部全部進入待機地域（第二、第三混成旅還在開進途中），便迫不及待地於二月二十八日發動了進攻。
吳佩孚將進攻部隊分爲三路：以王承斌之第一混成旅出嘉魚，經太平口、鼓花洲（今谷花洲）沿江岸進攻聯軍翼側；以第三師第六旅（欠步兵第十一團兩個連）和曹瑛之第四混成旅進佔羊樓洞，牽制羊樓司方面之聯軍；吳佩孚親自指揮暫編第五混成旅（由第三師第五旅及炮團、工兵營等組成）、騎兵第三團（易騎爲步）和第十一團兩個混成連，組成突擊部隊，向聯軍防守薄弱的新店鎮、灘頭（今坦渡）方向進攻，擬從中路突破聯軍防線，爾後與左路部隊鉗擊羊樓司之聯軍。
二月二十八日晨，北軍發起進攻，於當日擊敗了守衛新店、灘頭的湘軍第一師之第二旅，向縱深推進。
聯軍急以湘軍第一師之第二團和獨立第三旅之第五團，進入灘頭以西之萬峰山陣地阻擊敵人。
三月二日，北軍再次突破湘軍陣地，攻佔萬峰山。
至此，聯軍的第一防禦地帶被敵攻破，羊樓司暴露在敵人面前。
這時，嶽州地區雨雪交加，山險路滑，給北軍的進攻造成了困難。吳佩孚決定息戰數日，等待天氣好轉，同時電令後續部隊趕緊向戰地集中。
羊樓司位於湘北邊陲，與湖北赤壁、通城、崇陽三縣接界。是由北進入湖南的第一鎮，守南北要衝，歷來爲兵家必爭之地，是湖南四大邊境重鎮之一。地處萬峰山與大藥姑山之間，周圍山勢陡峭，鐵路橫穿狹谷，是由武昌入嶽州的咽喉要道。
聯軍原將湘軍第三旅之第六團、桂軍韋榮昌所部一旅，部署於羊樓司至廖平鋪鐵路兩側的高嶺上，控扼險要，林修梅、韋榮昌親至羊樓司指揮。
新店、灘頭失守後，趙恆惕部也退守羊樓司。聯軍以羊樓司爲中心，在南起港口，北至黃蓋湖一線，構築了由塹壕、石壘和鐵絲網組成的四道防禦陣地，準備堅守；同時，派出敢死隊，深入太平口、新店一帶，襲敵後路。
三月五日左右，吳佩孚所部後續部隊相繼抵達戰地。吳便令曹瑛之第四混成旅由太平口沿江西進，增援第一混成旅。
三月十日，吳親率第二、三、五混成旅和湖北第三混成旅，左起朱樓坡（羊樓洞南）右至黃蓋湖，對聯軍第二防禦地帶發動進攻。吳部沿山樑推進，攻勢猛烈。聯軍雖依託陣地頑強抗擊，仍抵擋不住北軍的衝擊，當天即有三道陣地被敵突破。
十一日上午九時，最後一道陣地也落入敵手，聯軍只得放棄羊樓司，向嶽陽方向後撤。這次戰鬥，北軍死傷三百餘人，南軍傷亡更爲慘重。
北軍攻佔羊樓司後，便於三月十一日上午以第三混成旅爲第一追擊隊，經長安驛（今臨湘）向新牆方向追擊，抄襲聯軍後路；以第二混成旅爲第二追擊隊，由平水鋪經長安驛、路口鋪向云溪推進，爾後窺取嶽州；吳佩孚親率第三師第六旅，於十二日向新牆方向續進，企圖切斷聯軍退路。
云溪，（現湖南省岳陽市云溪區）地處長江中游南岸，西瀕東洞庭湖，位於湖南省東北部，東北與臨湘接壤，西北與湖北監利隔江相望。屬幕阜山餘脈向江漢平原過渡地帶，境內羣峰起伏，矮丘遍佈，河港縱橫，湖泊衆多，整個地勢由東南至西北呈階梯狀向長江傾斜。是通往嶽州的最後一個戰略要地。
由桂軍陸裕光部一混成旅和湘軍第一師第一團防守。三月十三日，北軍閻相文之第二混成旅開始沿鐵路向云溪進攻。云溪守軍竭力抵抗，閻旅進攻受阻。
這時，從北面的臨湘（今陸城）和東面的通城方向向云溪撤退的聯軍，乘機從側後襲擊閻旅，斃傷其官兵四百餘名。
吳佩孚急令第五混成旅和張敬堯師之補充旅馳援閻旅。北軍四個旅併力合擊，終於在十五日下午攻佔云溪。
北軍攻佔云溪後，立即對嶽州城發起總攻。
其進攻部署是：
以第一混成旅之第一團爲右縱隊，沿江岸進擊；
該旅之第二團和第四旅之第八團（欠第二營）爲左縱隊，從云溪向嶽陽正面進攻；
湖北第三混成旅之第五團進駐對岸之白螺，防聯軍退往江北；
海軍第二艦隊派“楚觀”號等四艦沿江梭巡，配合陸軍進攻。
三月十六日上午總攻開始。右路第一混成旅第一團在艦炮配合下，一舉攻佔要隘城陵磯，其少數先頭部隊乘勝突入嶽州城內。後見聯軍潰兵紛紛退入城內，恐被城外北軍誤攻，又退至城外。
十七日，各路北軍會攻嶽州。
這時，聯軍前線總司令程潛分析戰場形勢後認爲：“一、二兩路的敵軍兵力皆比我雄厚，……如果我軍與曹張部隊在羊樓司和平江作膠着戰，不能迅速解決，讓張懷芝率部長驅進入湘東，我軍勢必腹背受敵，全軍成俘。”
據此，他電令前線部隊：“如不能進取，可退後暫將嶽州讓出，再行相機進擊”。於是，守城聯軍於十七日夜棄城退守新牆。十八日上午，北軍進佔嶽州。
三月二十一日，聯軍在新牆遭到北軍第二、第三混成旅的夾擊，稍事抵抗即向長沙敗退。
在守衛嶽州的戰鬥中，聯軍防禦部隊約有三師之衆，又有便於防守的地形和事先構築的工事，本可以打個漂亮的防禦戰，但結果卻完全相反。聯軍作戰之所以失利，主要由於湘桂軍將領間矛盾重重，相互掣肘。其次是兵力分散，消極防堵。再者是裝備落後，士氣不振，驟遇北軍新銳，便難於招架。
吳佩孚是北洋軍閥的“後起之秀”，在這次作戰中，他指揮部隊對聯軍的陣地實行猛打猛衝，對聯軍的據點實行分路夾擊，重點突破，雖然雙方兵力不相上下，但他可以因戰術得當，獲得局部優勢。致使聯軍陷於被動，連連敗退。聯軍在嶽州的失敗，使湘省護法戰爭的形勢急轉直下，也給直係軍閥吳佩孚提供了揚名的機會。
北軍展開軍事行動後，連戰皆捷，嶽州攻克後，北京政.府下令嘉獎。
電雲：“據第一路總司令兩湖宣撫使曹錕，援嶽總司令張敬堯，海軍第二艦隊司令杜錫珪，迭次電呈，分路規復嶽州，水陸兼進，所向有功，先後於月塘嘴、羊樓司、通城、臨湘、古米山、九嶺、白葛嶺、天嶽關等處，連次激戰，迭獲勝利，節節進逼。三月十七日，攻破嶽州。逆軍頑強抗拒，相持不退，經我軍奮力攻擊，並由艦隊掩護業於十八日將嶽州克復各等語。
“此次出師攻嶽，自開始攻擊以來，爲期不過旬日，屢奪要隘，遂克名城，實由該總司令等調度有方，各將士忠勇用命，用能迅奏膚功，拯民水火，覽電殊深嘉慰。仍着該總司令等，遂照電令.計.劃，督率所部，奮勇進取，並先查明此次在事出力各將士，分別等差，呈請優獎。其陣亡被傷官兵，並準優予議恤，以昭激勵而慰英魂。
“第念嶽州臨湘一帶，人民重罹兵燹，流離顛沛，弗安厥居，損失貲財，危及身命，哀我湘民，疊被荼毒，與言及此，慘怛良深！應由宣撫使曹錕，迅派妥員，各路查明，加意撫卹，安集勞徠，各安生業。用副弔民伐罪之至意。此令。”