1941年12月，日本悍然发动太平洋战争。为策应其他方向部队作战，日军于岳阳集结约十二万人，再度向湖南省会长沙发起进攻。前两次长沙会战，中国以巨大牺牲取得胜利，成功阻止了日军向西南挺进。战后，第九战区司令长官薛岳面对众多为国捐躯的将士，一直致力于思索如何以最小代价歼灭日军。经过反复思忖，结合长沙地形与我军实际情况，薛岳最终得出结果，创制了一种用于歼灭日军的战法——天炉战法。概括而言，其总思路为八个字：后退决战，争取外翼。
在日军集结之际，薛岳亦调兵遣将，精心谋划，调动第七十三军、第七十九军、第四军和第七十四军至各自区域集结待命，并命令各军各师以长沙城北的新墙河、汨罗江、捞刀河以及浏阳河为天然屏障，因地制宜构筑层次分明、立体防御、互相钳制的防线。当日军正面攻击时，我军利用有利地形节节阻击，充分发挥每次攻势的最大防御效能。当敌人即将攻破防线时，立即后撤至下一个堡垒，然后在后撤中区分两翼，从后方三面对日军形成包围之势，待敌人越过层层防线、筋疲力尽之时，对其进行围歼。
12月24日晚，日军两个主力师团向新墙河发起猛烈攻击。在巨大的炮火覆盖下，第二十军并未与之硬拼，而是按照薛岳的部署，以团为单位分散于防线上，凭借多层次阵地节节抵抗，有序后退。就在日军以为胜利在望、突破汨罗江北岸时，薛岳紧急调动三个军进攻长乐街，同时两个军坚守汨罗江南岸阵地。其中防守汨罗江南岸的两个军采取了不同策略，他们并非一味后撤，而是呈扇形分散开来，向两翼撤回，为下一步包抄做好准备。我军两个军在江岸与日军抵抗至30日晚。日军感觉进攻顺利，认为此次攻克长沙易如反掌，殊不知已落入薛岳设下的天罗地网。
1942年1月1日，信心十足的日军主力兵临长沙南侧。驻守长沙城的是第九战区的王牌部队战斗力强悍、有“泰山军”之称的第十军。随着日军进攻受阻，我军外围包抄而来的九个军、三十个师已全部按照计划进入预定位置，形成巨大包围圈。日军顿感形势危急，指挥官立即命令撤出战斗，不可纠缠。与前两次长沙会战不同，此次日军的撤退并非易事，他们陷入层层围堵之中，丢盔弃甲，被我军处处打击。至1月16日，日军被打得完全退回战前位置，还损失五万多人，包括日军中队长佐野荣吉在内的一百三十九人被俘。经此一战，日军两年内都不敢再进犯长沙。