1941年，阿南惟几调任日军第十一军司令官，他上任后就想一心想“一雪前耻”。他集中全军六成以上的兵力在长沙正面，准备强攻长沙。九月十八日，日军开始疯狂攻击大云山的薛岳部，日军利用强大的火力优势，直扑长沙外围。第二次长沙保卫战拉开了序幕。此时薛岳仍然采取诱敌深入的方法，不与日军正面交战，只是尽量将日军引向湖南的崇山峻岭。

　　而后将部队一个接着一个的在长沙外围与日军周旋，有力的分散了日军进攻长沙市区的兵力，增加了坚守长沙的时间。此时日军处处被动，处于被牵着鼻子走的状态。

　　战斗异常激烈，日军的第四师团一部，曾一度攻入长沙市区，第三师团，也曾攻到南方的株州，但都因日军由于主力一直受到牵制缺乏足够的兵力，无法攻占长沙。

　　由于日军第十一军六成以上的兵力被薛岳部队拖在长沙外围，就使第十一军原来的防地兵力空虚，也致使中国军第六战区司令官陈诚及时抓住了战机，他发现驻守宜昌的日军第十三师团兵力，只剩下三分之二，因此决定调集第六战区主力，全力强攻宜昌。

　　9月26日，陈诚的第六战区主力向宜昌发动猛攻，第十三师团长内山英太郎中将见宜昌被中国军四面强攻，而主力部队又被薛岳牵制住，因此不得不向阿南以及日本中国派遣军司令部求救。阿南惟几见状大惊失色，急命回防。因为一则宜昌的战略地位极其重要，它既可以威胁重庆，又切断了两湖粮仓与大后方的联系；另一方面攻占宜昌是日本天皇裕仁亲自下的作战命令，假如宜昌被中国军队夺回，对日军的对华作战信心将是极大的打击。一心求表现的阿南惟顾不得攻占长沙，下令在湖南的日军立刻回守宜昌。

　　混乱中薛岳抓住战机，及时将长沙外围的六个军同时向日军发动攻势，又命令于汨罗江北岸的第四军、第二十军、第五十八军南渡，形成南北夹击之势。此时的日第十一军早已乱了阵脚，损失惨重，狼狈逃窜。

　　第二次长沙会战之后适值日本东条英机组阁，为行南进政策，遂策动太平洋战争。日军大本营担心第九战区中国军队南下支援驻港的英军，因此，命阿南惟几指挥包括4个师团及航空兵一部共12万人，于1941年12月第三次向长沙方向发动进攻，另以一部向上高、修水进攻，以牵制中国军队，企图在汨罗江两岸，歼灭薛岳的第9战区主力。

　　为了这次战役，薛岳已经总结了前两次日军进攻长沙的得失，自创了闻名中外的“天炉战法”。依薛岳的叙述：天炉战法是先调遣士兵往四方撤，让敌人长驱直入。待敌人进来后，再伏击、诱击、侧击、尾击，分段一举包围歼灭。一方面消耗敌人体力，一方面打击敌人。

　　日军先乘大雨和夜色突破了我军前沿阵地，渡过新墙河，扑向汨罗江北，并与沿粤汉线南下的日军第3师团会合后，很快攻至汨罗江南岸，进入我军预设之决战区域。

　　薛岳向所部官兵下达手令：“第三次长沙会战，关系国家存亡。岳抱必死决心、必胜信念。”他要求“各集团军总司令，军、师长，务必确实掌握部队，亲往前线指挥，适时捕捉战机，歼灭敌军”。日军第3师团在飞机支援下向长沙东南阿弥岭等中方阵地发起了进攻。此时阿南惟几完全中了薛岳的策略，日军强袭长沙并于市区与中国军队爆发激烈的巷战，阿南惟几眼见先锋部队已经进入长沙城内，认为凭自己的主力军，拿下长沙已是十拿九稳，所以就抢先向日军总部报告了“第十一军已经攻克长沙”的消息，这个消息对于两次长沙之役均失利的日军而言，当然是最大的喜讯，所以日方立刻发布了新闻，并举国庆祝攻下长沙，洗雪前之大耻。