团一部集结于镇头市附近,第40师团集结于狮形山附近,荒木支队、江藤支队担任掩护后方交通线任务。至此,日军第11军认为已完全达到了预期作战目的,停止了攻势。
原本日军认为已完全达到了预期作战目的，正准备作下一阶段的作战部署时，国民政府突然向第九战区增兵8个精锐师，同时第八战区两个战斗机大队突然由太原转场郑州。然后直接向日军第11军司令部所在地岳阳展开空袭，此战造成日军第11军司令官阿南唯几重伤。
由于事发突然，日军前线的部队根本一无所知，当10余万装备精良的中央军突然出现在长沙外围的时候，日军傻眼了。很快日军就感受到了正面战场的巨大压力。不得已只好放弃彻底占领长沙的打算，全军后撤。
好不容易等到援兵到来。薛岳那容易就让日军从自己手边溜走,当即命令暂编第2军、第79军各向当面日军跟踪追击;命令位于捞刀河、汨罗江南北地区的第74军、第27集团军所属的第4、第20、第58军并指挥第72、第26军以及第99军各依现在位置截击、侧击日军,务使其不能安全渡过新墙河。
与此同时，老蒋也发电报要求：“第九战区应乘敌疲惫,果敢追击,乘机占领岳阳,并应积极破坏武岳铁路,分向各路退却敌人沿途袭击、伏击,猛烈打击,使其不能退守原防;并牵制防守,滞其向武汉方面转移,以利第三、第五、第六战区之作战”。
各部队按以上命令,对撤退中的日军展开追击、截击和侧击,给予日军重大杀伤。由于阿南唯几重伤昏迷，第十一军司令部暂时群龙无首。失去了上级指挥的日军彻底被打乱了行动。至11月30日,日军除第3师团全部退回新墙河以北以外,第6师团一部约6000人以及第40师团一部约3800人被国民政府包围在了新墙河以北。
日军中国派遣军总司令部责令前线的部队不惜一切代价将这万余日军救出，但是在国民政府三十余万大军的严防死守之下。日军多次进攻都未能突破新墙河的防御，其空军在此期间多次协同地面部队作战，并且与北方空军以及国民政府的空军进行了了多次空战，双方各有损伤。
截止12月2日，日军被包围的部队弹尽粮绝，大部被消灭之后，剩余士兵全部向国民政府第九战区投降，战局再次恢复战前状态。第二次长沙会战结束。
据国民政府方面统计,整个会战中国民政府第九战区损失兵员高达3万4千余人，其中战死3万一千余人,被俘2300人;第五战区损失1.2万人，其中六千人战死，3千人受伤，另外还有三千人被俘或者是失踪；第六战区损失1.8万人，其中战死八千人，受伤八千人。被俘一千六百余人，失踪以及被击溃400余人。而日军伤亡一万六千余人,其中战死8348人，伤5231人，被俘879人。
尽管从兵员损失方面来看，国民政府依然损失大于日军，其伤亡总数是日军的三倍有余。但是从整个会战的结果来看。国民政府不但守住了长沙，而且还重创了日军。反过来日军非但没有实现攻占长沙的战略目标，而且还损失了大量的有生力量，因此这一仗日军是不折不扣的打了一场大败仗，而国民政府则是却取得了空前大捷。
会战结束后。国民政府向全国各战区以及各省通报了这次会战的结果，并且加以大捷称号。同时向各战区通报被嘉奖的有功部队和官兵，其中第八战区司令长官陈锋以及北方空军参战的三大战斗机大队以及四百多名飞行员赫然出现在了嘉奖的名单上。
此战，第八战区共有2名飞行员晋升为少将，29名飞行员晋升为上校，51人晋升为中校，89人晋升少校，129人晋升为上尉，145人晋升为中尉。参战的飞行员几乎人人都得到了晋升，就连战死的那47名飞行员
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