薛长官马上命令属下各军进行追击：
第58军超越浯口市以北，由长乐街、关王桥方面，自东向西截击；
第4军、第20军由福临铺、长乐街及栗桥、新市方面，自东向西截击；
第92、第99军由石子铺、福临铺及长沙栗桥方向，自东向西截击；
第72军经平江西北山地向杨林街方面实行超越截击；
第26军由浏阳西北自东向西清扫捞刀河南北两岸战场；
第74军由普迹市方面，自东向西清扫浏阳河南北两岸战场；
暂编第2军一部沿株洲至长沙大道东西地区，自南向北清扫战场；
第79军以1个师守备长沙，主力向新市、长乐街追击。
新20军沿长沙至湘阴大道自南向北清扫战场。
与此同时，坐镇重庆的最高统帅也发电报要求“第九战区应乘敌疲惫，果敢追击，乘机占领岳阳，并应积极破坏武岳铁路，分向各路退却敌人沿途袭击、伏击，猛烈打击，使其不能退守原防；并牵制防守，滞其向武汉方面转移，以利第三、第五、第六战区之作战”。
进攻者被迫撤退，被进攻者反而开始了追击，第二次长沙会战的战局在10月1日这一天发生了戏剧性的变化。
接到了追击命令的刘建业马上派人向刚刚开始撤离的第四师团通报了情况。有了前几日的愉快合作作为基础，两支部队很快达成了协议：在第四师团撤退的过程中，新20军将与其后卫部队保持一定程度的接触，但在未遭到第四师团主动进攻的情况下，新20军不得主动向第四师团发起进攻；同样，在新20军未主动攻击的情况下，第四师团也不得对新20军发起进攻。但是，如果第四师团在撤退过程中，对中国的老百姓犯下战争罪行，协议将自然解除。届时，新20军将全力进攻。最后这一条，是刘建业坚持加进去的。
有了协议作为基础，在一路的撤退路程上，两支部队不时地上演着和长沙城内大同小异的场景，目的只是骗过在空中不断出现的执行侦察任务的日军飞机。
10月2日，薛长官致电最高统帅：“此次进犯之敌经我军廿六昼夜之围攻痛击，伤亡过半。而敌由武汉各地抽派民夫十五万赶筑新墙、汨罗后方交通路线，增援补充。但均被我军处处截断，尤其9月29、30日，在金井西北之脱甲桥及麻峰嘴各地，将其由长乐街方面向南追送粮弹之装甲车五十余辆，悉数击毁，死援兵一千余人，仍不能增援补给，继续作战，于东申开始突围北退……”
湘阴位于汨罗市西部，长沙西北部，地处洞庭湖区，湘江、资水尾闾。由此走水路沿湘江北上经洞庭湖可直达岳阳。
日军在发起全面攻势时，曾令平野支队经洞庭湖进入湘江，继而在下青山等处登陆。当时，日军并没有占领湘阴的打算，因此，在作战前期，湘阴城一直没有失守。
10月1日，日军第11军下达全线撤退的命令后，正在湘江江畔的平野支队奉命在湘阴城西北的白泥湖岸登陆，占领湘阴城，以掩护伤病员经湘阴城从水路北撤。
10月2日，日军飞机开始低空轮番地对湘阴城进行疯狂的轰炸、扫射。正在其毫无忌惮地肆虐之际，突然一阵猛烈的机枪扫射，一架飞机顿时拖着一股黑烟向远处栽了下去。其余日机见势不妙，立刻升高，掉头就逃。
当时，守卫湘阴城的是第99军第99师第295团第1营，营长是曹克人少校。他是湖南省桂阳县人，黄埔军校14期毕业生。
曹克人于9月24日奉命率领本营进驻湘阴，担负起保卫湘阴县城的任务。进入湘阴城后，曹克人立即指挥部队构筑工事，在湘阴城的北门和东门外构筑了三道防线，并在东门外设立了岗哨，日夜派兵巡逻，严阵以待。
曹克人是带着必死的决心来守湘阴城的。来此之前，他在给父母的信中这样写道：“……国家养兵千日，用在一时，值此国家兴亡之秋，匹夫尚且有责，我为军人，怎能临阵退缩？尚望双亲大人体谅时艰，擅自颐养天年……我誓死抗日到底，此意已决……”
10月3日，日军平野支队在白泥湖岸登陆成功，随即便向湘阴城发起猛攻。
曹克人率部在第一道防线奋力抵抗。
由于日军兵力过于强大，第一道防线终被突破。曹克人率部退守第二道防线。
随即，日军又发起了一次次的冲锋，但还是未能攻进湘阴城。
10月4日晨，由新开港赶来增援的日军荒木支队从湘阴东北方加入战斗。随后，日军又在阵地后方空降了大批伞兵。这样一来，曹克人营便陷于日军三面夹攻的不利态势。
本来双方兵力就相差悬殊，日军再一夹击，曹克人营渐渐不支。曹克人只好率部且战且退，一直退到东湖的四甲堤上，准备从文星桥渡河，然后再依河岸为屏障，继续阻击日军的进攻。
不料，待曹克人营退到桥边时，桥上的木板已被日军破坏，无法渡河。这时，后面的日军又跟踪而至。
前有河流，后有追兵，陷入绝境的曹克人营全营战士在营长的带领下与日军展开了惨烈的肉搏战。
战至最后，全营只剩下曹克人和17名士兵弹尽负伤，力竭被俘。
日军将俘虏的中国士兵百般折磨后一一杀死。对于曹克人，他们的手段更为残忍。他们用刺刀割断了曹克人的舌头，削去了他的鼻子，挖去了他的双眼，最后又开膛破肚，把他的尸体钉在大街的一处墙壁之上。其兽行简直令人发指。
10月6日，刘建业的部队来到了湘阴城外。
“十分遗憾，我被师团长阁下派遣来向贵部通报一个十分令人感到遗憾的消息。”急匆匆地从第4师团指挥部赶到新20军指挥部的古贤一少将带着惶恐说道。
“出了什么事情？”刘建业很诧异的问。
一路上有新20军在后面跟随保驾，第四师团倒是上上下下严格的遵守了战争规则，几乎没有出现任何的骚扰抢掠和残害平民的事件。最多也就是走累的时候，从路边人家的井里，提了一些水来解渴。作为热情好客的中国人，新20军主动地表示了不予追究。其它事情倒是一直没有发生。所以，刘建业一听到古贤一少将的话一时之间颇感诧异。
“事情是这样的。”古贤一少将从衣服口袋里掏出一叠照片，双手交给了刘建业。
刘建业接过来一看，顿时牙齿咬得生生作响。
“这是谁干的？不要对我说是你们干的！”刘建业一把抓过了古贤一少将的领子，恶狠狠的说。
“我发誓，绝对不是我们干的。这是平野支队和荒木支队他们干的，还有伞兵，他们也参与了。”察觉到危险的古贤一少将连忙解释。
“我就相信你们一次。如果事后被我发现不是他们干的，而是你们干的，我绝对不会让你们轻松的从中国脱身。”刘建业强行压制着怒火，说着。
“我们师团长阁下让我转告军长阁下，我部对这件事情深表遗憾。为了表示我们的诚意，我部已经主动后撤至洞庭湖边。如果你们想要和平野支队，荒木支队他们算帐的话，我部将保持绝对中立。”古贤一少将鞠躬说道。为了和这件严重的战争罪行撇清关系，避免城门失火，殃及池鱼，第四师团已经不再顾及自己友军的安危了。
“你回去告诉你们师团长，我希望他说话算数，不然，后悔的绝对不是我们。”刘建业对古贤一少将下了逐客令。
等到古贤一少将匆忙走了以后，刘建业立即接通了属下两个师的电话：“全军立即做好战斗准备，把湘阴县城团团包围。”
接到了命令的新20军两个师，立即用闪电一般的速度，赶在日军没有反应过来之前，将小小的湘阴县城为了一个水泄不通。
见到部队把湘阴县城全部包围，城内的日军已经是插翅难飞，刘建业立即下达了命令：“不惜一切代价，在最短时间里，彻底攻占湘阴县城，不能让城内一个鬼子跑掉。”
接到这样的命令，憋足了劲的两个师官兵立即依照战术规定，在炮火的支援下，向湘阴县城发起了连续的冲击。
在两个师不惜代价，不顾伤亡的冲击下，小小的湘阴县城并没有能够支持住多久。三个小时以后，湘阴县城被攻破，新20军如潮水一般涌进了城内，和城内的日军展开了激烈的战斗。
尽管湘阴县城里的日军拼命向城外不远处的第四师团发电求救。可是，第四师团上下始终无动于衷。在此战以后日军内部的调查里，第四师团再次发挥了本色，以“未接到与中国军队交战的命令”为由，在大本营里的师团老长官的庇护下，顺利的混过了调查。
在第四师团的漠然中，湘阴县城里的日军两个支队和一队伞兵被士气高昂的新20军杀得一点脾气都没有。
随着太阳的落山，湘阴县城的战斗落下了帷幕。日军两个支队和一队伞兵被全部歼灭，只有百余人的士兵放下武器，成为了俘虏。
城内的大街上，曹营长和他的17名忠勇部下的尸体仍然还被钉在墙壁上。当刘建业叫人把尸体从墙壁上放下来的时候，血染的墙壁上，其头颅躯干印迹仍清晰可辨。
见到此情此景，刘建业怒不可遏：“传我的命令，把所有的日军俘虏全部钉死在湘阴县城的城墙上。把所有的鬼子战死者尸体都投进洞庭湖喂鱼。”
“军座，杀俘不祥吧？”杨参谋长担心地问道。
“我杀的不是人，都是两条腿的畜生。出了任何事情，都由我来承担。你们只管去执行命令。”刘建业坚定地说道。
第二百一十三章 … 会战的结束
10月1日黄昏，日军开始全线撤退。为了掩护主力部队北撤，日军第11军做了如下部署：
平野支队在湘阴北方白泥湖岸登陆，占领湘阴，尔后掩护伤员由水路北撤；
第4师团森田支队进占神鼎山北麓，当主力部队全部撤过后归建；
荒木支队在新开港占领阵地，当第4师团经过时随之北撤；
独立混成第14通旅团江藤支队，在长乐至新墙之间掩护兵站，当第6师团撤过后归建。
10月1日夜，荒木支队由狮形山开始向新开港进发。2日晨，在行至麻峰嘴东北地区时与第20军遭遇。荒木支队无心恋战，很快就脱离战场，并于当日到达新开港。4日，又配合平野支队，攻占了湘阴城。由于新20军的报复性攻击，平野支队和荒木支队被新20军以优势兵力彻底全歼。第40师团继荒木支队后也由狮形山开始北撤。在撤退过程中，曾遭到第20军等部队的阻击。
由第4师团指挥的早渊支队于30日夜间开始北撤。10月1日，该支队在捞刀河北岸遭到巧妙伪装的第98师的阻击，伤亡甚众，2个联队长被击毙，余部溃逃。
第3师团10月1日傍晚由金潭附近北撤。2日在枫林港以北地区遇到第99军第99师阻击，3日进到影珠山，又遭第92师拦击，拼命突围始得通过。
第6师团殿后。10月1日傍晚，该师团从镇头市撤退，编成三路纵队北返。在福临铺及检市场等地遭到中国军队的阻击，5日晚进到长乐附近。
10月7日，日军渡过汨罗江后，经新墙河开始向临湘、岳阳撤退。为进一步追歼北退之敌，薛长官又重新调整部署：
湘鄂赣挺进军王总司令率3个挺进纵队及2个补充团，切断咸宁、蒲圻间之铁路、交通、通信，断敌归路，阻敌向堙水东北岸逃窜；第78军之新编第16师进攻崇阳之敌及击敌援兵，断敌归路。
第20军暂编第54师以主力攻击大沙坪，以1个团攻击羊楼洞而占领之，由羊楼洞附近切断铁路、公路之交通、通信及击敌援兵。
第6挺进纵队向羊楼司、第7纵队向五里牌截击日军，并确实截断铁路、公路之交通、通信，断敌归路及击敌援兵。
第72、第4、第58、第20军在汨罗江、新墙河间截击、尾击敌人后，第72军向忠坊、临湘；第58军向桃林；第4军向西塘，自东向西截击日军；第20军向筻口、新墙，自东南向西北尾击日军，并力争将其压迫于岳阳附近地区加以歼灭，从而一举而攻占临湘、岳阳。
第26军集结于浯口、长乐街，推进至登龙桥、关王桥，第79军第98、暂编第6师集结于伍公市，推进至三江口、大荆街，策应新墙河北岸各军作战。
第99军第92师、第99师与新20军协力肃清归义、河夹塘、营田一带残敌后，前者在新市南神鼎山东侧地区集结，策应各方作战；后者仍任归义、河夹塘、营田、湘阴一带原防。
10月9日，薛长官向最高统帅报告：败退之敌已溃渡新墙河；从8日上午开始，第72军向忠坊；第58军向桃林；第4军向西塘；第20军向筻口、新墙河北继续猛追，各军除以一部围攻据点之敌外，主力正向岳阳、临湘东南地区挺进攻击中。
虽然第9战区对北撤日军的追击声势浩大，但由于各军在此前都曾遭到日军不同程度的打击，战斗力并不强，再加上在追击的过程中各军之间缺乏相互协调和配合等原因，并未能取得战区所期望的将日军压迫至岳阳附近加以歼灭，进而克复临湘、岳阳的目的。
10日前后，日军全部退回新墙河北岸，双方军队又恢复了战前的对峙态势。
在整个会战期间，为策应湘北主战场作战，日军独立混成第14旅团于9月22日从九江出发，25日向武宁方向攻击；第34师团于9月27日击退锦江北岸之中国军队，尔后向奉新方向反转进击，牵制赣北方面的中国军队。10月上旬，这两支部队也陆续返回原防地。
会战期间，遵照军事委员会9月20日及以后的一再电令，第三、第五、第六战区各向当面日军发动了范围广泛的袭扰活动，对日军若干据点和交通线形成一定威胁。特别是第六战区从宜昌出发的反攻作战发展到较大规模，使日军受到震撼。其中，第六战区集中优势兵力向日军留守鄂西一带的第13师团主力发动猛烈进攻。战斗进行到10月10日晨，被中国军队包围的日军第13师团烧毁了军旗和秘密文件，师团长以下军官们准备好了自尽的场地和用具，并写好了绝命书，等待最后时刻的到来。但这时日军从长沙前线返转的部队为解第13师团之危，紧急车运，其先头已抵荆门附近，第11军决定将早渊支队及第13师团第103旅团在武汉以西的部队都归第39师团指挥，全力向第13师团突进。军事委员会鉴于日军返转部队已接近，为避免陷于被动，于10月11日晨电令第六战区停止攻击，将部队有计划撤至城外，控制要点，进行休整。第六战区的反攻作战至此结束。
第二次长沙会战，历经月余，终于落下了帷幕。
日军“华北方面军”（司令官冈村宁次）为策应第11军的长沙作战，10月2日以第35师团自新乡以南强渡黄河，10月4日却轻易击退第一战区第3集团军部队，占领中原重镇郑州。10月31日，第35师团虽然撤出郑州，返回原防，却在黄河南岸京汉铁路黄河大桥西侧的霸王城要点建立了桥头堡阵地，以2个步兵大队、1个炮兵大队驻守，这为后来日军在河南的进一步作战创造了有利条件。
根据日军发布的所谓战报，整个会战中中国军队遗弃尸体5。4万具，被俘4300人；日军伤11184人，亡5670人。这个统计显然夸大了日军的战果，压低了日军自身的损失。仅仅是新20军在湘阴县城一战所歼灭的日军，也不在少数。不过，从国民政府军事委员会的内部资料看，第74军的第58师伤亡55％，第57师伤亡40％；第37军的第60师伤亡50％，第140师伤亡30％；第4军的第102师伤亡45