大云山位于新墙河以北几公里处，是第九战区重要的前进阵地。日军第11军为掩护主力部队向新墙河以北集中、展开，占领较大的渡河地带，于9月7日命令第6师团向大云山地区扫荡。9月9日大云山失守。
10日，第6师团主力认为已经完成任务，撤离大云山地区向桃林方向集结。国军第102师、第59师一看机会来了，围住留守的日军第13联队一顿暴揍。日军第40师团重松支队赶到甘田接应第13联队撤往草鞋岭，被国军撵着打。双方在甘田、团山坡的狭小区域内展开拉锯战，均伤亡惨重。
9月15日，第九战区司令长官兼任国民党湖南省主任委员和省主席的薛岳将军侦知日军已经有4个师团以上的兵力集结于湘北，猛然醒悟——小日本是要来进攻长沙啊！他马上命令第27集团军主力向新墙河以南转移，严阵以待。
9月17日，日军集结完毕，到达进攻出发位置。阿南惟几接受第一次长沙会战兵力分散的教训，将部队并列部署在狭窄的正面，以期进行纵深突破。
18日拂晓，日军在炮兵、航空兵、坦克的配合下强渡新墙河，突破国军第4军的两道防线。军长欧震鉴于日军兵力占优，正面阻击已经不可能奏效，便命令各师交替掩护向关王桥以东的山区转移。
19日，日军第3、第4、第6师团快速向南突进，傍晚到达汨罗江北岸的石头铺、长乐街附近。第6师团一部渡过磨刀河，与奉命阻击的国军第37军在颜家铺、浯口一带缠斗。
20日，接到情报的蒋委员长领导的军事委员会给第九战区拍来雪片儿似的电报，详细指挥本次战役。万万没有想到，这些电报全部被日军特情部门窃收并破译。军事委员会指导得越具体，第九战区的部队打得越艰苦。日本预测出21日会出现日全食，赵继统立刻给畑俊六发报，建议暂停攻击，以免动摇军心（‘陆军御国旗’图案为日之丸居中向外散发16道旭日光芒，战争中如果发生日全食遮蔽住了血色的太阳，给日军官兵蒙上了很大的心理阴影），国军将士才得到片刻喘息机会。
22日至24日，日军突破主阵地，将国军第26军第95师、第140师包围。国军第37军奉命向麻林市突围，伤亡惨重。24日，日军第40师团加入对国军第26军的围攻。
25日夜，国军第26军阵地尽数失陷。第26军奉命向金井东南地区转移，与从平江南下的第72军协同作战。
日军第3师团沿长岳公路追击由浯口突围的国军第37军第140师到金井附近，与国军第10军遭遇。24日战斗打响，战至26日，第10军各师阵地被日军突破，部队分散突围。第九战区预定的在汩罗江两岸与日军决战，歼灭日军主力的企图破灭。
25日，日军第3、第4、第6、第40师团、早渊支队、荒木支队陆续抵达捞刀河北岸，逼近长沙。薛岳电令第79军守备捞刀河南北地区，保卫长沙外围；暂编第2军先头部队暂编第8师于26日到达榔梨市待命；第74军两个师向黄花市挺进。这份电报却被日军截获。
日军一看国军第74军来了，立刻瞪大了眼睛。国军第74军一直是日军第11军的老对手，没有少让日军第11军吃苦头。阿南惟几立刻调整兵力部署，命令第3、4、6师团放弃既定目标，全力围歼第74军。
25日晚，第九战区长官部从长沙撤往湘潭。第74军先头部队第57师到达捞刀河北岸的春华山附近，发现春华山已经被日军占领。第57师马上抢占捞刀河南岸的天鹅山，与日军形成对峙。日军向天鹅山发动攻击，双方激战竟夜。日军被击退，第57师乘胜追击，一举夺回春华山，掩护主力集结。随后，将春华山交给第58师，北上麻城迎击日军。
27日，第57师与日军第3师团主力鏖战，伤亡近3000人仍然坚守阵地，毫不退让。与此同时，第58师在春华山、夏家塘、伍家渡一线，第51师在伍家渡、杨家滩一线，第37军第59师在王家冲、杨公桥一线与日军第4师团、第6师团、第3师团一部激烈战斗，给予日军沉重杀伤，自己也损失严重。
27日夜，薛岳命令第74军撤出战斗。日军渡过捞刀河，直逼长沙。薛岳以及国民军事委员会没有想到日军能够攻入长沙，长沙郊区和市区没有构筑任何防御工事。长沙陷落，生灵涂炭。至此，日军第11军认为已经完全达到预期的作战命令，停止攻势。
10月1日，国民党第3、5、6战区策应长沙作战的部队纷纷向各地日军发起猛攻。特别是第6战区进取宜昌，歼敌7000多人。这一招“围魏救赵”逼得孤守宜昌的日军连连求救，迫使大军回援。薛岳发现日军撤退，立刻上报蒋委员长。蒋委员长下令各战区参战部队对日军围追堵截，出了一口闷气。
10月9日，日军全部退回新墙河北，第二次长沙会战结束。据战后统计：中方伤亡17426人，日军伤亡48327人（日方统计，整个会战中中国军队遗弃尸体5.4万具，被俘4300人;日军伤5184人，亡1670人。这个统计显然夸大了日军的战果）。
狠狠的挫败了日军的嚣张气焰，也粉碎了中国派遣军总司令畑俊六“新馆上任三把火”的意图。赵继统因为战前示警、设计滞敌、通报密码被破译等功劳（鼓励日军东进侵略别的国家摆不上台面）被任命为陆军中将、并获青天白日勋章一枚。
苏联斯大林同志在获得那份“日本不会在西伯利亚采取行动”无比宝贵的情报后，迅速抽调远东军队到欧洲方向，包括精锐的5个步兵师和3个坦克师。这些坦克师装备的都是有名的t-34坦克。这支生力军投入战场，向在 莫斯科城下筋疲力尽、伤亡惨重的德军杀去。德军哪里还能招架得住，于是出现了令全世界目瞪口呆的一幕：号称天下无敌的德军在苏军的凌厉反攻面前，从莫斯科 城下踉跄败退，其常胜不败的神话有如泡沫一般地破灭了。
特此授予赵继统“列宁勋章”（苏联二战时期的最高奖赏）。