日军第一次进攻长沙失利，冈村宁次气得几天寝食不安，情绪低落。此后他没敢再向长沙发起进攻。他的继任者园部和一郎在1940年转而攻击第五战区，造成张自忠在汉水沿岸的南瓜店壮烈成仁。日本第十一军接着攻占了第六战区的战略要地宜昌，才逐渐恢复自信，再次试探性地攻击第九战区。但是，日军在上高会战中纵兵轻进，大贺茂师团遭到中国军队巧妙的战术合击，损失惨重。园部急调樱井师团救援，同样遭到重创，使王耀武的第七十四军一战成名。日军检讨作战失利的原因，认为园部应负主要责任，第十一军再次易帅。
狂热效忠天皇的年轻将领阿南惟畿中将，辞去陆军部次长职务，在大地无处不飞花的四月，野心勃勃地来到神往已久的中国，接任第十一军司令官。阿南受到天皇和宫内女眷的青睐，带兵打仗格外卖力，希望立下特大战功，报答皇室的恩眷。他上任之后，立刻研究武汉四周的战局，决心攻占冈村啃不动的长沙，挫败薛岳的锐气，也显示自己的能耐。
其实，阿南的上司畑俊六更想攻击第九战区。作为中国派遣军总司令官，他非常清楚，这里集结着中国军队四分之一的兵力，其中大部分是国民党中央军的精锐部队，如果能将这部分力量重创或消灭，一定会大大削弱国民政府的抵抗意志，迫使蒋介石早日投降。畑俊六对长沙作战寄予厚望，也得到日军大本营的支持。他命令阿南再次进攻长沙，消灭第九战区主力。
阿南惟畿接掌了园部的职务和野心，却没有继承失败的懊丧。他踌躇满志地考虑作战计划，将这次长沙会战命名为“加号作战”。
1941年9月，阿南惟畿指挥四个师团、四个支队、两个飞行联队和海军一部，共十一万五千人，分两路向长沙进攻。
阿南的对手薛岳对日军的进攻感到突然，却并不惊慌。他在长沙挫败过冈村，对再次会战充满信心。他指挥十三个军、一个挺进军和两个飞行大队，共三十多万人，利用有利地形和既设阵地，逐次抗击，打算将日军牵诱到汨罗江以南、捞刀河以北的地区，予以歼灭。
9月7日，集结在岳阳西南的日军第六师团，由神田正种师团长率领一部，为掩护新墙河方向主力的展开，向大云山地区发起攻击。三个联队的日军在飞机大炮支援下，从东、西、北三面包围大云山，冲向欧震第四军的柏辉章第一○二师阵地。
柏辉章很快发现，全师都受到日军的猛烈攻击。欧震严令他坚守，他便向全师下达“死守活打”的命令。他说：“只要阵地能守住，你们各用各的方法，与敌人周旋，拖延时间。”
柏辉章与各团通话时，头上一片枪炮声和飞机的嗡嗡声。他得知各团打退了日军的多次进攻，而最前沿的九六○高地，仍然在第一○二师手中。
第二天，日军集中五千人合击九六○高地。欧震看到有全军覆灭的危险，下达傍晚撤出战斗的命令。
第二十七集团军总司令杨森上将认为，大云山对于整个会战至关重要，电请薛岳将相距不远的陈沛第三十七军第六十师拨归欧震军指挥。
9日，日军神田师团主力向大云山南侧包围，越过了新墙河。后半夜，杨森派欧震军、孙渡的第五十八军两个师和杨汉域第二十军第一三三师发起反攻，侧击并合力截击已经渡河的日军，在激战中将日军压回新墙河北岸，并乘胜追击，迫使日军退到五龙桥和百羊田附近。
这时，日军青木第四十师团在大云山附近接替神田师团攻打大云山，而神田师团则抽身退走，准备与陆续投入战场的日军主力，共同对湘北发动总攻。
这个交接过程非常迅速，当面的中国守军竟毫无察觉，误以为日军只是发动一场小规模的攻击，然后停止进攻。
第二天，鲁道源首先率领新编第十师反攻，战到中午，这位滇军的佼佼者把旗帜插上了大云山制高点，收复了石塘冲和石壁桥，将当面的日军压迫到石庙一线。
11日拂晓，新编第十师、第五十九师、第一○二师和第六十师合力会攻残敌，把没来得及被换走的神田师团的重松第十三联队围困在甘田附近。中国军队合力进攻，重松看到部队死伤惨重，而对方攻势有增无减，便遥向北方默祷，准备剖腹自杀。中国军队四个师正在全力发动最后一击，日军青木师团的荒木联队赶到，和奄奄一息的重松联队一起稳住了阵脚。
日军两个联队合力反扑，加上空军支援，双方搏斗十分激烈，伤亡惨重。13日和14日，大云山战场上的中日军队开始了对峙拉锯战。
14日傍晚，薛岳命令杨森，部署孙渡军向西面和西南面挺进，欧震军向西面和西北面攻击。
第二天，杨森接到报告，得知新墙河北岸日军正在架设浮桥，岳阳道上已有几万名日军集结和行动。
杨森立即意识到，日军即将发动大规模总攻，大云山只是一个局部。于是他急电薛岳，报告了自己的判断。但是，杨森不甘心放走已在甘田成为瓮中之鳖的两个日军联队，他在向薛岳报告军情的同时，决定先消灭这股日军，再做下一步打