此時，橫山勇中將在詳細檢討過去三次長沙作戰的得失之後，擬定出一個全面包抄薛嶽部隊的計劃。 過去日軍進攻長沙的部隊兵力，最多是三個師團加上特種作戰部隊，作戰支持的準備，也是以兩個星期爲度。
所以，此次日軍進攻長沙、衡陽的大會戰，將是橫山勇中將個人軍旅生涯最大的挑戰了，由於日本大本營與中國派遣軍司令部對於一號作戰計劃的湖南之戰，給予全力的支持，使得橫山勇中將可以指揮的部隊高達八個師團又一個旅團，單是在兵力上，日軍就擁有前所未有的絕對優勢。
但這次橫山勇中將的作戰計劃，動員的總兵力是超過八個師團，在三十六萬人以上，他更將日軍的作戰縱深，根本延伸到衡陽，所以日軍在兵力的優勢以及作戰計劃的規劃上，都早已經超越薛嶽過去防禦長沙的天爐作戰之架構。
橫山勇中將的作戰計劃是，利用五個師團，作爲第一線兵力，三個師團爲第二線機動兵力，進行全方位的南攻。而將主力放在左翼的攻擊，沿着湘、贛交界南下，大迂迴長沙的東南方，先攻佔瀏陽，再包抄長沙後側
。
橫山勇中將判斷薛嶽的主力就是在此待命出擊，因此日軍的佈陣，以打擊長沙外圍的中國軍隊爲主攻對象，然後再進攻長沙城。日軍中路的攻擊則是依照傳統的進攻長沙模式，沿粵漢鐵路南下，擊破中國軍隊正面防線直逼長沙。
另外他還派軍由洞庭湖南下，包抄湘江西岸，從側後方進攻長沙的制高點嶽麓山陣地，由於橫山勇中將掌控絕對充裕的作戰兵力，因此決定在日軍包圍長沙的同時，也對衡陽進行長距離的奔襲，乘中國軍隊全力在長沙作戰之時，出其不意地一舉攻佔衡陽。
而橫山勇中將還設法進行大規模的欺敵行動，有意無意地透露出日軍的作戰目標，有可能是沿着長江西上，進攻重慶，或是準備再度進攻常德。由於橫山勇對於這兩個戰略要點的攻擊，都有實戰的經驗，所以也讓重慶方面不得不加以重視。
蔣介石保留衛戍部隊放在第六戰區，作爲保衛重慶的準備，而沒有全力支持第九戰區薛嶽的部隊。但是蔣介石仍然認爲，日軍以打通粵漢鐵路的戰略爲主，因此特別派副總參謀長白崇禧，前往第九戰區，協助薛嶽佈陣對抗。
但是由於長沙之虎薛嶽，已經在防衛長沙的作戰上，三戰三勝，對於防衛長沙，有着相當的自信與執着，他相信史迪威的美軍判斷，認爲日軍的兵力有限，不可能對長沙進行更大規模的作戰，同時也認爲自己的天爐作戰，已經是天衣無縫，所以決定以不變應萬變，決定仍將在長沙決戰，再次合圍進攻的日軍。
可是薛嶽手上的部隊，也已經發生員額與裝備不足的問題。這不僅是當時中國軍隊普遍的現象，特別是第九戰區的軍隊，常德會戰之後，戰力都還沒有恢復，加上最信任薛嶽的上司陳誠，已經因爲史迪威事件的影響而失去調動軍隊的大權。
在政潮衝擊之下，蔣介石又重用參謀總長何應欽來防止軍中將領的叛變，而何應欽與薛嶽以及粵系將領，本來就有不愉快的經驗，薛嶽實際上又功高震主、鋒芒畢露，何對薛當然相當的感冒，更加要給薛嶽一些不方便。
於是在大戰前夕，第九戰區的兵員與補給，不但沒有優先得到補充，反而是能拖就拖。從客觀的角度來看，一支精實、充裕的日軍與虛弱內鬥的中國軍隊對陣，雙方的勝負，在未戰之前，早已有了定數。
白崇禧曾經建議薛嶽，考慮將決戰南移到衡陽，以拉長日軍的補給線，加強中國軍隊在衡陽的防務，但是薛嶽沒有完全接受，仍然決定在長沙與日軍對決
。
橫山勇中將決定在五月二十六日，也就是日軍在對馬海峽大破俄羅斯波羅的海艦隊的歷史光榮紀念日，在湖南發動對中國軍隊全面的攻勢作戰。
裝備充足的三十六萬日軍，在優勢火力的支持之下，分成七路撲向中國軍隊的陣地，來勢之兇猛，則遠遠超過中國軍隊的預估。
日軍精銳的第三、第十三師團以及第二十七師團，從左翼（東線）先攻，一舉深入地插進平江，再突進瀏陽，直搗薛嶽預控的反擊部隊所在的基地。
接着在中路的日軍第六十八與第一一六師團，分成六路強渡新牆河，第三十四與第五十八師團隨後跟進，以壓倒性的優勢兵力，連續擊破中國軍隊的層層防線，直撲長沙。
第四十師團與第五、第十七旅團，渡過洞庭湖，沿湘江的西岸，開始進攻長沙的西方。
日軍這樣全面的攻勢，使得中國軍隊在湖南的陣地，全都遭到日軍猛烈的攻擊，薛嶽在長沙東南所部署的反擊部隊，更是首先陷在日軍的多重包圍攻勢之中，天爐作戰計劃就完全失去了應變的能力，湖南成爲日軍全面縱橫的戰場。
而在戰略的佈局上，薛嶽是低估了日軍採取孤注一擲作戰的實力與決心。這次日軍動用的兵力，已是歷次長沙會戰的三倍以上，整個作戰的戰線，覆蓋整個湖南北中部，但薛嶽連原有的兵力都未得到適當補充，他在作戰縱深的安排更是不夠。
如果他把決戰的地點安排在衡陽以南，而非長沙附近，同時要把更多的部隊部署在湘江以西，而非傳統的湖南東部山區，這樣日軍在東邊的主力攻擊就會撲空。而在湘江以西，中國軍隊的主力可以得到更多的空軍掩護以及複雜地形的保護，有效牽制日軍戰線的側翼。
長沙外圍的戰略據點，很快地就先被日軍攻佔。
六月十四日，日軍攻佔瀏陽，截斷了薛嶽反攻長沙的外圍作戰部隊。
次日陷寧鄉，長沙於是受到日軍全方位的包圍。中國第四軍已無法用傳統的防禦方式，來守住長沙。