随即命令第3、第6师团加快攻城速度，吃掉城内守军。战区不再保存实力随即命令新24师炮兵参加战斗。突然出现的炮群打乱了日军的进攻节奏，第3师团师团长丰岛房太郎在第一轮齐射中被击中右臂，随行的警卫中队也是伤亡过半。战至下午五时，日军第40师团及独立混成第9旅团各一部先后赶至长沙。
1月4日，阿南惟几调整进攻方案，从东南北三面同时发起进攻，除两个中队的运输机继续为攻城部队空投给养外，又并了战斗机、轰炸机二十余架前来助战。
城内吃紧，未等第10军求援，李有财便将手中的四个步兵营全部投入了城里，二十余门山炮也是火力全开，在高炮群的掩护下与日军炮兵展开了炮战。
战至下午四时，戏剧性的一幕发生了，在万众瞩目之下，日军一架俯冲投弹的轰炸机居然被山炮炮弹打的凌空爆炸，守军士气大振，随即发动全线反攻，一举将日军赶出了长沙城。