日军即将进抵捞刀河北岸时，第11军即已开始作进攻长沙的部署。鉴于此前进攻长沙的教训，这次进攻极为谨慎，早在会战开始之前即已确定由第58师团进攻长沙，并预先进行了攻坚战术、战斗的特别训练;预定进攻岳麓山的第34师团也预先进行了各兵种协同山地攻坚战的特别训练。为保障该两师团进攻长沙时的侧背安全，还计划令其东西两路的部队先期分向浏阳、宁乡进出，使长沙陷于孤立，尔后再将该两师团投入攻击。
6月7日夜下达了先攻占长沙两侧的宁乡、浏阳，再进攻长沙的作战命令 ，日军各部队按照命令开始调整态势，西路第40师团则积极向益阳逼近。中国军事委员会于6月9日令刚到达桃江镇附近的第24集团军加入战斗。
因日军已迫抵资水，益阳危急，第九战区令第24集团军速向益阳、宁乡前进。6月10日，日军开始围攻益阳，王耀武令第100军驰援。第100军于12日拂晓进抵益阳附近，但此时益阳守军第77师已因伤亡过众于11日夜突围撤走。
第100军的第19师并不知守军已撤，于12日拂晓向益阳外围日军进攻。经激战后，日军主力转向宁乡进攻，第19师于14日收复益阳，将城防再交第77师，第19师尾随日军，南下宁乡。日军第40师团由益阳进攻宁乡时，遭到守军第73、第79军的坚强抗击。第九战区为策应宁乡之战，令第99军转移至宁乡东南的金马桥附近作为机动部队，准备适时侧击进攻宁乡的日军。
守备宁乡的部队是配属第73军的第58师。日军突破外围阵地后猛攻宁乡城于6月15日晨突入城内。两军展开激烈巷战。经反复肉搏，迄18日，守军仅余200余人，仍据守核心阵地。19日凌晨，日军第40师团转向湘乡进攻，由益阳尾追日军的第19师进入城中，与58师残部会合。
东路日军于6月8日接到军的命令后稍事整顿，于10日开始向浏阳实施夹攻，第3师团突破高开桥阵地由西、北面向城垣攻击。第13师团以一部经古港，从东面进攻城垣，主力迂回至浏阳城南。激战至14日上午，第44军守城部队突围，日军占领浏阳。
中路日军第116、第68师团分别从汨水渡河，在春华山附近强渡捞刀河，击退守卫长沙的第4军警戒部队，于14日进抵株洲及其东南的石亭附近。守军暂7师退守渌水南岸。此时日军第34师团已渡过湘江，进抵岳麓山东、北两面，第58师团已进至长沙东面。
6月16日，日军在航空兵直接支援下，对岳麓山及长沙市发动总攻，第34师团当天攻占了岳麓山东、西的虎形山和牛形山。黄昏时，日军第58师团突破第59师修械所阵地，59师撤守妙高峰、天心阁核心地带。6月17日晨，日军在航空兵掩护下向天心阁和桃花山阵地猛攻，并施放大量喷嚏性毒气。双方死伤均极众。