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调沈发藻暂编第2军北上。同时，叫孙连仲第6战区和顾祝同第3战区进行牵制性进攻。当时，罗广文第18军和池峰城第30军在中美混合空军配合下，对驻宜昌的澄田赉四郎第39师团的一个联队发起进攻。日军阵地虽被炸得体无完肤，但这个联队居然以劣势兵力和火力顽抗了三个来月而保阵地不失。第3战区那边，顾祝同还没来得及出兵，反而被永津佐比重第13军打了个先手，该军再次向衢州发动进攻。不过，就是在这次战役中，第70师团第62旅团长横山武彦被中国军队设在龙游附近狮子山阵地的重机枪击毙（6月11日）。四年前，他作为第39师团联队长，率部在湖北南瓜店围攻张自忠。
进入6月中旬，日军中路第116师团主力、第68师团突破汨罗江防线，直下捞刀河，后面的第58师团和第34师团随之跟进。
直到这时候，薛岳才发现：在中路，日军一线两个师团后面，居然还有两个师团！
到这时，他才发现整个战局跟第三次长沙会战完全不同。加上左右两翼，现在日军至少出动了七个师团！
这是湖南战场上从来没有过的事。
薛岳准备不足的情况，可从日军第3师团长山本三男的日记看出来：“历次作战，在战线附近几乎看不见居民，但此次在各处却时常看到。这或许是中国军和军民认为日本军不会打到此地。”
薛岳有意令驻衡山的方先觉第10军、由两广而来的沈发藻暂编第2军等部队悉数北上，在长沙和浏阳间与敌决战，但遭白崇禧强烈反对而作罢。作为副参谋总长，白崇禧已奉命到桂林统一指导第9、6、4、7四个战区的战事。军委会也认为调诸军北上不现实，令暂2军推至长衡间的株州，第10军仍控制在衡山，并做好守卫衡阳的准备。
有一次，在电话里，白崇禧建议薛岳放开长衡，在桂林与日军决战。
薛放下电话后，说：“丢他妈！我就不去给广西看大门！不在湖南打，把部队都拉到广西——他家里去，可恶！”
薛岳的反应有地域派系之背景，但白崇禧直接建议在桂林决战也值得商榷。其优点，是桂林决战可使日军战线拉长而使其进入最疲惫状态；但缺点更明显，桂柳地区，从地理上讲，不具备相互增援之便利。从这个角度说，衡阳确实是最好的决战点，除第9战区原有兵力外，西面第6战区，东面第3战区，南面第4战区和第7战区以及军委会直辖的兵力，都容易向衡阳会集。
战区参谋长赵子立亦认为长沙、衡山、全州、桂林、柳州都没有这个优势。
他认为：新墙河距衡阳500多里，可逐次抵抗一个多月，这期间各战区部队都可从容赶到决战地带。而衡阳本身，亦适合固守，北、东皆有河，西、南城外又没有像长沙岳麓山那样能对城区构成绝对威胁的制高点。开打后，兵出衡山切断日军补给线，比在湘北更容易。后来，赵子立回忆：“但遗憾得很，由于两年的平静生活，除了看例行公文外，总想看自己想看的书，对作战方案一度想过后，就没有再去想。及至1944年5月，有了具体情况，最初只争论日军敢不敢打的问题，没有着重去研究作战计划。”
在日军急速的攻势下，长沙第四次成为危城。
虽然张德能第4军正驻守长沙，但薛岳仍希望衡山方向的方先觉第10军取代第4军来固守这座城市（像第三次长沙会战那样）。据赵子立回忆，在用谁来守长沙这个问题上，薛岳一直问赵：“让哪个部队来守长沙呢？第4军这个部队长于攻，而不善于守。”
赵子立呢，就装傻，不说话（后来，赵子立解释：自己当时不说话，是因为如果第4军守长沙的话，从保全该军的角度，薛岳更容易接受自己在衡阳进行决战的方案）。
粤军第4军是薛岳嫡系，薛终不希望用它守危城。
就在这个时候，蒋介石给薛岳发了封电报，内容是：驻衡山方先觉第10军或担负守备衡阳的任务，不得用于长沙方面。
薛岳最后说：“好吧！就让第4军守长沙！战区直属的饶少伟（黄埔军校6期，四川资中人）暂编第54师也留下来。”
决定第4军守长沙后，薛岳带着赵子立和留守参谋登上岳麓山，设立指挥部。长官司令部其他人员则迁往湘东南的耒阳。
右路青木成一第40师团击破梁汉明第99军后，遭彭位仁第73军阻击，后者在益阳又跟鬼子激战竟日。益阳出现险情后，宁乡就难保了，而宁乡是岛贯武治此次长沙攻略中右翼关键一环。要确保宁乡，就得控制益阳。王耀武令李天霞第100军去解益阳之围，李部还没到达益阳，就已经失守。李迅速率部反扑，重夺该城。日军知李天霞为先前第74军的部队长，战风狡悍，故而并不纠缠，主力绕过益阳，跟王甲本第79军交战后，直接攻往宁乡了。没想到，守备宁乡的是张灵甫第58师。张把兵力之一部放在城里，自己带主力在城外策应。宁乡之战是抗战中张灵甫指挥第58师打得最激烈的一役。在团长何澜重伤的情况下，守军与城外的主力里外配合，使第40师团损失不小。师团长青木最后不顾战前占领宁乡的计划而被迫绕道，向长沙西南的湘乡而去。
宁乡战后，新任第11军参谋长中山贞武说：“前任所称的‘虎部队’确实冠盖重庆军，见之而避之，也许能更迅速地完成作战计划。”
王耀武虽率部在湘江以西与日军激战，但战局整体却开始恶化。
左路山本三男第3师团、赤鹿理第13师团按计划逐一打击平江到浏阳连线上的中国军队，打到浏阳东南山地后，第3师团被王泽浚第44军咬住。第13师团压制住罗奇第37军，但遭杨干才第20军和从江西而来的王陵基集团军傅翼（四川陆军速成学堂，重庆酉阳人）第72军尾随。薛岳令鲁道源第58军由醴陵向浏阳北上，围打第13师团。在这种情况下，赤鹿理改变作战部署，放弃直攻浏阳的计划。结果是，第13师团在被杨干才第20军、傅翼72军咬住尾巴的情况下，仍迎面击溃了鲁道源第58军。第3师团顺势逆转了局面，逆袭入浏阳城，王泽浚第44军与之发生激烈的巷战。
在鄂西和常德之战中被两次击溃的川军第44军，本是一支弱旅，但浏阳战中拼得极顽强，是他们军史上最耀眼的一页。在日军两个师团在浏阳又转为主动后，由第3战区而来的丁治磐第26军陷入彷徨。这时候，进至长沙东南的株洲的沈发藻暂2军不战而退（从1937年的南京到1944年的湖南，沈之表现一贯地差），岩永汪第116师团主力随之将该地控制，所辖黑濑平一第133联队则奔袭了与株洲处于同一线上的湘潭（长沙西南），从南面包围长沙已是转眼的事了。
至此，薛岳复制第三次长沙会战的愿望完全落空。
在急剧恶化的形势下，薛岳决定从岳麓山上下来，也撤往耒阳，6月14日，在走之前，对赵子立说：“我先去后方，你在这里照料一下。”
赵子立认为：薛岳很快也会叫自己去耒阳，但接下来发现不是那么回事。就在这时候，赵得知第4军军长张德能以两个半师守长沙城，以一个师守岳麓山，于是急忙给张打电话，说：“这样岳麓山就难保了，你立即再往岳麓山调一个师！这一次，湘江西岸出现大量敌人，他们是从湖面和路面双管齐下的。岳麓山一丢，长沙还怎么守？反过来，如果集中兵力扼守岳麓山，即使长沙城被攻陷，而保有岳麓山，那么长沙也不能算丢！”
张德能开始不说话。
赵子立再追问，张德能说：“参谋长，实不相瞒，长官临走前有交代，部队仍归他指挥，现在的布阵是他的命令，如果你想变更部署，先给长官打电话吧。”
赵子立立即给刚到耒阳的薛岳打电话：“我在这里是否指挥第4军？”
薛岳说：“你不要指挥它。”
赵子立问：“那我在这里干什么，要不我回去吧。”
薛岳说：“不！你要在那里联络。”
赵子立说：“联络？为什么不派参谋？”
薛岳摔了电话，赵子立也摔了电话。
赵子立显然比薛岳更生气，因为摔了电话没多久，岳麓山指挥所上的一些参谋和人员就声称奉了薛岳的命令，往耒阳撤退。一名负责对空联络的美国军官也找到赵子立，说：“你们都走了，为什么不叫我走？”
赵子立正在气头上，说：“你走？你走什么？！他们走是因为在这儿没任务了，你担任对空联络，现在长沙要打仗了，正是你要履行任务的时候，你怎么能走呢？”
美国军官没话可说。
过了一天，美国军官又来了，说：“你让我走，我也走；你不让我走，我也要走！”
赵子立看了他一会儿，说：“那你就走吧！”
这仗确实没法打了。
日军按部就班。在二线位置一直保持战力的毛利末广第58师团此时迅速由汨罗江突至捞刀河一线，在6月16日出现在长沙正面的北郊，伴健雄第34师团则兵临湘江西岸岳麓山。与此同时，佐久间为人第68师团和岩永汪第116师团一路南下，在友军进攻长沙的同时他们已经形成向衡阳追击的态势。岛贯武治，可谓深得中国兵法中“兵贵神速”之精髓。
赵子立仍建议张德能往岳麓山增兵，后者仍不敢违背薛岳的命令，说：“长官叫我以主力守长沙，我只好以主力守长沙。”
此前，在岳麓山的一次会议上，面对赵子立的坚持，张德能说：“这是薛老板指示的，长沙城丢了，还有什么搞头。”
薛岳和张德能以一个师守岳麓山这件事在后来被诟病。
在此次会战中，薛岳确实轻敌了，但具体到长沙兵力的运用，却未必一定就是有问题的。在湖南战场厮杀多年的薛岳，在长沙一带驻防多年的张德能，又如何不知道岳麓山的军事价值？如果以为薛、张只分兵一个师守岳麓山的因为是不了解其重要性，只能说后人太天真。
张德能第4军有三个师，薛岳走前临时配置了饶少伟暂54师和王若卿炮兵第3团。叫张拿两个半师守城，一个师放在岳麓山保护炮兵团。从长沙现有兵力看，只能说是有多少米做多少饭（赵子立亦承认：第三次长沙会战，日军只从湘江以东进攻长沙，以一个军守卫尚嫌少，现在日军沿江进攻，以一个军多一点的兵力守长沙，又兼顾岳麓山，兵力与阵地终不相配）。可以回想一下第三次长沙会战，李玉堂第10军最初只有两个师守城，即使西城下的湘江沿岸不驻防部队或少量驻防，两个师也根本照顾不开北、东、南三面，这也是后来李死活把方先觉一个师由岳麓山调回长沙城的原因。
现在呢，如果再往岳麓山增加一个师，就意味着守长沙的只有一个师多一点（饶少伟暂54师兵力很少），用他们守三面城垣和外围阵地完全是开玩笑。至于“长沙失陷，保有岳麓山，长沙仍不算丢”这种说法，只是听上去是那么回事，而毕竟禁不住深究。实际上，现在面临的不是岳麓山上放多少兵力的问题，而是在各种仓皇下守军无法从容应战并缺乏死战意志的问题。
6月16日黄昏，伴健雄第34师团和协助其作战的第68师团志摩源吉（日本陆军士官学校26期，长野县人）旅团对岳麓山发起进攻，毛利末广第58师团则开始攻打对长沙外围阵地。
按赵子立回忆，17日傍晚，张德能打来电话：“敌兵强大，长沙难守，我想按你的意思，以主力守岳麓山。”
赵子立说：“能过来吗？晚了吧！”
张德能说：“能过来。”
赵子立听完后，说：“你知道，你不归我指挥，但如你一定要转移时，我仍同意，并仍负建议的责任。”
张德能留下一个团在长沙城，其余部队聚集在湘江东岸，准备渡江。
但由于船只缺乏，事出仓促，又没细致的部署，在日军炮击下，江边场面极混乱，部队长对队伍失去掌握。张德能于凌晨两点先行过江，由于两晚上没睡觉，在岳麓山湖南大学，迷糊了一会儿。当他再睁开眼时，6月18日早晨，发现渡江部队，有的死于日军炮火，有的虽然过江了，但直接南溃了。
张德能拎着手枪，跑到大学门前的公路口，大声喊：“统统回来！不回来，我枪毙你们！”
但已经兵败如山，没人听他的了。
毛利末广第58师团开始攻长沙城，三个小时后的8点即冲入东南角，随后师团参谋长有马纯雄掏出日记本写道：“敌主力确已逃走，炮声已停，无如所想之抵抗。”这次长沙之战，从岳麓山被攻到长沙陷落，前后不到两天。如果从长沙城被攻算起，到日军突入城里，只有三个小时。
长沙就是这样沦陷了。
沮丧的张德能只好到耒阳去找薛岳。
赵子立见张德能已走，在日军占领岳麓山前，也带着人向南撤去。
在路上，遇到张德能，赵子立说：“长沙是丢了，建议你赶快收容部队，到岳麓山以西进行反击。”
张德能说：“你看部队这个样子，怎么能收容，又怎么能反击岳麓山？”
赵子立说：“不管收容多少，都应该这样做，都能这样做，只要你放着枪，责任就要轻些，想想常德余程万的例子！”
张德能仰天长叹，说：“不去了。听天由命吧。”
耒阳的薛岳，得知长沙被日军攻占后，一言不发。
武汉会战后，薛岳在长沙坚守了五年，这一次，三个小时即告失。
他的第9战区也被日军冲击得七零八落，一些军进入各自为战的境地，指挥系统陷入了瘫痪。直到一年后抗战胜利前夕，第9战区仍呈碎片化状态，