薛長官對天爐戰法的解釋是“天爐戰者，為在預定之作戰地，構成縱深網形據點式陣地，配置必要之守備部隊，以伏擊、誘擊、側擊、截擊、尾擊、堵擊諸手段，逐次消耗敵力，挫其銳氣，然後於決戰地使用優越之兵力，施行反擊及反包圍，予敵以殲滅打擊。蓋為後退決戰方法，因敵之變化而變化之殲敵製勝新方略，如爐熔鐵，如火煉丹，故名。具體來說，天爐戰法的指導思想就是當日軍發起進攻時，戰區的部隊在保存自己的情況下，節節抵抗，節節後退，盡量地拖累和疲耗敵人，達到這一目的後，便自動向斜側後方山地撤退(不是直線撤退)，繞到敵人的包圍線外麵去，從更大的層麵上形成對日軍的反包圍，砌成兩麵天爐之壁。同時，在中間地帶，徹底地破壞交通道路，空室清野，誘敵至決戰區域，而斷其後路，從四麵八方構成一個天然熔爐，最後將包圍之敵予以殲滅。”
在台下的劉建業聽了以後非常高興，這就是久已聞名的“天爐戰法”，薛長官的成名絕技。薛長官就是依靠這套戰法，和小鬼子在湖南周旋多年。從戰區的各方麵情況來看，以劉建業的角度，這套天爐戰法，顯然要比前兩次會戰的戰法更加合理。
會後,第九戰區根據天爐戰法的要領製訂了新的作戰計劃。其基本內容為：敵情判斷：“日軍再向本戰區進犯時，有兩個可能：一是全力由湘北進犯，重點保持於左翼，索取我軍右翼包圍攻擊；一是在主力由湘北進犯，重點亦指向左翼，但各以一部分由贛北進犯，以策應其湘北主力的作戰。”作戰方針：“戰區以誘敵深入後進行決戰之目的，在敵進攻時，以一部兵力由第一線開始逐次抵抗，隨時保持我軍於外線，俟敵進入我預定決戰地區時，以全力開始總反攻，包圍敵軍而殲滅之。”指導要領：“預定在長沙外圍與敵決戰，決戰時重點保持於長沙以東地區。湘北守軍於敵人進攻時，首先應利用既設工事拒止敵人。爾後一麵采取逐次抵抗以消耗、遲滯敵人，一麵以主力向伍公市、沙市街以東外線轉移，同時以一部向梅仙、平江以東外線轉移，一部分別潛伏於汨羅江、撈刀河間各偏僻地區。當敵軍大部隊通過後，自動起來攻襲敵後並阻止其撤退。至總反攻時，待命以一部向西進攻，扼守汨羅江北岸，遮斷敵軍退路，以主力向撈刀河以北進攻，使圍攻長沙之敵不得退過撈刀河北岸。贛中、贛北守軍，於敵進攻時以一部守備原陣地，以主力向瀏陽以東地區前進，於總反攻時待命由瀏陽地區向長沙以東攻擊。戰區直轄各軍，以一部及炮兵占領長沙、嶽麓山核心陣地，構築堅固工事而確保之。直轄各軍主力於總反攻時，待命由株洲、普跡地區向長沙以南攻擊。湘北各挺進部隊，於敵開始進攻後，在新牆河以北擾亂敵後；俟敵主力渡過汨羅江後，轉移至新牆河以南地區活動，爾後阻撓敵軍的撤退。鄂南挺進部隊於敵攻擊開始後，集中力量向蒲圻—臨湘線、崇陽—通城線不斷攻襲破壞，擾敵後方。”日軍如由南昌、武寧實施牽製性進攻時，則守軍分別誘敵至上高東南、銅鼓東南和嘉義附近地區，“反攻而殲滅之”。
形成了完整的作戰方案後，薛長官令各部隊做好相應的作戰計劃；同時，下令實行全民總動員，破壞道路，向水田蓄水，組織戰時民工隊等，全麵加強戰備。
12月初旬以來，第九戰區發覺日軍調動頻繁，向湘北、贛北集中兵力，其飛機不斷偵察守軍陣地，並搶修白螺機場及九江機場，判斷日軍將再攻長沙，遂積極進行戰備。至20日，日軍進攻企圖已極明顯，軍事委員會下令命第73軍、第79軍分別開至寧鄉、益陽和淥口、株洲地區，歸第九戰區指揮；同時已南下至曲江的第4軍返回至株洲、淥口集結待命，在廣西宜山的第74軍調駐衡陽;原在湘潭株洲一帶的新20軍前進到長沙，歸第九戰區指揮。
12月14日，阿南惟畿令參加進攻的日軍開始向嶽陽以南預定的地區集中。第6師團於20日在新開塘附近集結完畢，第40師團於21日在托壩附近集結完畢。由於中國遊擊部隊的襲擾和破壞鐵路，第3師團遲至25日才全部到達龍灣橋附近。為了掩護其主力部隊集結和展開，第6、第40師團的先頭部隊自18日起即各以一部兵力向新牆河以北中國守軍的前進陣地攻擊。
傍晚，日軍在雨雪交加中向新牆河南岸守軍陣地發起了攻擊。
當時，防守新牆河南岸陣地的隻有第27集團軍第20軍1個軍。沿新牆河南岸，由左至右為：第133師防守磊石山、鹿角、榮家灣、新牆之線，第134師防守潼溪街、楊林街及油港河南岸草鞋嶺、方山洞之線。新牆河以北的筻口等地設有前進陣地及據點。暫編第54師位於幕府山以北，警備九嶺、麥市、鬥米山之線及通城等前進據點，以保障新牆河陣地的右側背。在第134師和暫第54師之間的黃崖市地區集結有第58軍。該軍隨時支援第20軍的作戰。因為，薛長官並不準備在新牆河一線與日軍大打。第20軍的主要任務是阻敵，盡可能地耗損敵人的力量，疲勞敵人，頓挫敵人進攻的勢頭，延緩日軍南下的步伐。
第20軍出自於川軍，現任楊軍長，四川廣安人，從雲南講武堂畢業後，一直在川軍中任職，於1938年擔任第20軍軍長。該軍隻有兩個師的編製，而在新牆河北岸集結的日軍有3個師團。以兩個師的兵力要完成阻擊裝備優良的3個師團的日軍10天的任務，其困難可想而知。
但第20軍沒有臨陣退縮。為了完成阻敵任務，楊軍長要求守軍各部在占領陣地時，做到據點工事與野戰工事同時占領，以據點工事為骨幹，加強野戰工事的縱深配備。在使用兵力時，各部應以一部兵力置於連排據點，盡力抵抗；以一部占領野戰工事，利用陣地縱深逐步抵抗，將主力放在最後一線陣地，機動使用。作戰時，敵人若向據點工事裏的守軍攻擊，野戰工事裏的守軍應立即進行火力支援，或適時派部隊反擊；若敵人向野戰工事裏的守軍攻擊，據點裏的守軍應即以火力向敵人射擊，或者離開據點向敵尾擊。各部主力此時應乘敵混亂之際，不失時機地對敵反擊，消耗敵人。經過逐步抵抗，到最後一線預備陣地給敵人以重大殺傷後，再向側麵陣地轉移，向敵側擊、尾擊。
實踐證明，第20軍的這種打法還是比較符合戰場實際的，並有效地延緩了日軍南下的步伐。
由於守軍第134師右翼陣地突出於新牆河以北，日軍為進占新牆河北岸渡河進攻出發地位，第40師團以第234、第235兩聯隊於22日先期向油港河南岸守軍陣地進攻。激戰一晝夜，23日進至筻口。當日晚，阿南惟畿於嶽陽指揮所下達了進攻命令。
12月24日，日軍第6師團全部進至新牆河北岸，占領了渡河進攻出發地位。左翼第40師團首先發起進攻，在猛烈炮火掩護下，於當日14時在筻口附近強渡新牆河。徒涉過河時遭到守軍第134師的堅強抗擊。傍晚時渡過新牆河，突破守軍羅袁?陣地，向潼溪街攻擊前進。第27集團軍急令第58軍的新11師由黃崖市向楊林街前進，由東向西側擊敵人，策應第20軍的作戰。第134師右翼方山洞附近的部隊亦向南撤退，與主力靠攏，參加戰鬥。
日軍右翼第6師團於24日傍晚開始進攻，當夜強渡新牆河後突破守軍第133師陣地，攻占了新牆、七步塘等據點。第133師除留置一部兵力守備縱深內各據點外，主力向南嶽廟、洪橋以南轉移；第134師退守十步橋東西之線。
25日晨，日軍第3師團隨第6師團之後徒涉過新牆河，從右翼投入戰鬥，沿粵漢路東側攻擊前進。此時，守軍第58軍的新11師由楊林街附近向日軍第40師團右側後攻擊，第58軍的新10師亦進至胡少保附近。雙方在汨羅江北岸又一次展開了激烈的拉鋸戰。
當時，雪越下越大，氣溫也越來越低，而守軍許多士兵連棉褲都沒有，有的竟被凍死在戰壕內。但活著的士兵，仍堅守陣地，沒有貪生怕死之輩。
守衛傅家橋據點的第20軍第398團第2營營長王超奎少校及其部屬，麵對日軍猛烈的炮火，毫不畏懼，打退了日軍一次次的衝鋒。後王超奎為掩護部屬突圍，在與日軍肉搏中不幸殉國。
守衛洪橋據點的第398團第3營一部，在副營長、連長相繼陣亡的情況下，仍堅守陣地。
第397團全團官兵在黃沙街硬是頂住了日軍第6師團整個師團的進攻，並迫使其繞道而行。
激戰至27日晚，第20軍完成了阻敵任務，薛嶽令第27集團軍全線撤退。隨後，第20軍向梅仙、平江方麵轉進，隱蔽休整，隨時騷擾日軍後方，待機襲擊其側翼；第58軍向汨羅江東南部轉移，靠近向家、金井，準備切斷進攻長沙的日軍的後路。
第九戰區防守汨羅江防線的部隊為第99軍(2個師)及第37軍。沿汨羅江南岸，由左至右為：第99軍的第99師防守湘陰至營田以東之線，第92師防守歸義東西之線，第37軍的第95師防守新市、伍公市之線，第60師防守秀水、浯口、張家渡之線，第140師控製於金井地區，為軍預備隊。
12月27日，日軍第3師團的騎兵聯隊於11時左右首先由歸義附近渡過汨羅江，突破守軍第92師陣地，進至栗橋以北，掩護其主力渡江。第6師團及第40師團在擊破第37軍在汨羅江北的前進陣地及據點後，其先頭部隊於傍晚先後在蘭市河和長樂附近強渡汨羅江，占領了灘頭陣地，但在第37軍的堅強阻擊下，未能進展。
12月28日，日軍第3師團主力全部進至汨羅江南、沿粵漢鐵路兩側，向南突進，18時前後進至八裏?、金雞山、大娘橋等地。守軍第99師等退至牌樓一帶。第6師團及第40師團遭到縱深陣地內依托既設工事和據點頑強防守的第37軍的阻擊，進展緩慢。
由於日軍第3師團已經深入，左翼形勢嚴峻，薛長官令第37軍預備隊第140師向鐵路方麵增援，歸第99軍指揮，阻擊日軍第3師團；令第37軍軍長率指揮所向前推進至米公源，就近直接指揮第95師和第60師的戰鬥；令位於陳家橋、三江口地區的第20軍和位於長湖、新寨地區的第58軍向長樂街、大荊街方向攻擊日軍的側背，以牽製日軍第6師團及第40師團主力，阻其南渡汨羅江。
阿南惟畿企圖包圍、殲滅汨羅江南岸的第37軍，於28日晚令第3師團向左回旋，迂回至第37軍後方的福臨鋪。該師團遂由大娘橋附近連夜兼程東進。
12月29日，日軍第3師團於淩晨進至新開市附近，向退至新開市的第99師發起攻擊。此時守軍第140師亦已到達李家鎮以西，薛嶽遂令第140師接替第99師防守新開市附近陣地，令第99師退守湘陰和營田。日軍第3師團及第40師團主力當晚已全部進至汨羅江南，與守軍第37軍相持於童家鎮、西山廟、秀水、清江口一線。
12月30日，日軍在航空兵及炮火掩護下全線發動猛攻。日軍第3師團除留一部兵力仍在鐵路附近繼續攻擊守軍各據點外，主力在攻占新開市後向東南急進，當晚進至福臨鋪，先頭進至麻林附近。日軍第6師團及第40師團亦在攻占長嶺、浯口等地後，於當晚分別進至福臨鋪和金井一帶。
留於新牆河以南地區的第20軍之一部，於30日夜突襲駐於新牆東南長胡鎮的日軍輜重兵第40聯隊，給予殲滅性打擊，並將其聯隊長森川啟宇擊斃。
當薛長官得知日軍第3師團已突進至第37軍後方的情況後，立即令第37軍向金井以東的山區撤退，轉至外線待機實施反擊。至此，汨羅江以南地區的戰鬥告一段落。