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三、长沙失守
此时，合围长沙的日军已达到十余万人，而驻守长沙的守军只有第4军，人数不足万人。和以往不同，由于日军宽线拉网进攻和二线兵团的扫荡，薛岳部署在外线两翼合击长沙的部队要么被击溃，要么被牵制，他短时间内根本无力调动部队来向心攻击、里应外合。天炉炉心，只剩一盏孤灯。长沙，成了一座真正的孤城。
第4军军长张德能已接薛岳命令死守长沙，他调派59师担任浏阳门以南沿南郊至江边一线防御，102师负责长沙东面及北面防御，湘江西岸的90师担任岳麓山、桃花山一线防御。他们面对着十倍的敌人，而且很长时间不会有援兵。
由于前几次折戟长沙，日军对这次进攻长沙极为谨慎小心，做了周密的准备和计划。早已预定了善于攻城的58师团主攻长沙，并已进行了数次对长沙的攻坚演练。日军还预定了另一个善于山地作战的34师团进攻岳麓山，也预先进行了各兵种协同的山地攻击演练。
面对长沙孤城孤军，日军重兵压境，准备充分，志在必得。长沙城下，一场血战不可避免。
6月15日，日军分三路全面进攻长沙，一路沿湘江西岸的岳麓山、桃花山进攻，一路由长沙以北捞刀河进攻，一路由长沙以东杀向城南。
日军很快突破长沙外围警戒阵地，向长沙城南的红山头、黄头岭、一线猛烈攻击。59师167团3营顽强抗击。顶着日军猛烈的火力，在数倍于己日军的冲击下死守阵地，全营大部壮烈牺牲。阵地失守。
同时，日军集中了数十门重炮压制岳麓山中国军队的炮火，34师团黑压压的步兵向岳麓山发起了攻击。94居高临下，依托有利地形顽强阻击，给日军以巨大的杀伤，双方陷入激战。
17日，日军从中国军队主阵地一侧由东向南疯狂攻击。西线日军34师团突破桃花山后，一部继续前进，威胁岳麓山守军侧翼。第4军军长张德仁发现错误估计了日军的进攻方向，兵力部署不当，赶紧赶紧下令调整，命102师抽调部队支援西面和南面，但命令下达不明确，102师一些营、连以为是撤退的命令，争先抢渡湘江，向西溃退。
天明时，秩序混乱的中国军队在湘江上被红山头日军用机枪猛烈扫射，伤亡惨重，混乱之中纷纷向衡阳方向南逃。不但没有进入新的阵地，而且长沙东北面很多阵地被放弃，中国军队不攻自溃，全线动摇。
18日拂晓，日均第58、68、34、116师团同时向长沙和岳麓山发起总攻。日军122飞行大队30多架飞机对中国守军阵地进行轮番轰炸，并投下燃烧弹，很多民房被点燃，长沙城成为一片火海。岳麓山以北的日军炮兵部队也疯狂向城内轰击。在日军强大的火力下，59师和102师均伤亡惨重。
但在第三次长沙战役中曾给日军以重创、立下赫赫战功的岳麓山重炮师，却由于步炮互不统属，缺乏统一指挥，在日军炮火的压制下，根本发挥不了作用。
到了中午，59师、102师长沙阵地全线被突破，第4军伤亡殆尽，残兵只能向东突围，往浏阳方向溃退。下午，日军集中了所有的飞机和火炮，掩护34师团向岳麓山发起猛攻，岳麓山阵地失守，长沙城全部沦陷。
被寄予厚望的长沙城仅3天就被日军攻陷，出乎所有人的意料，比起益阳鏖战、浏阳血战，长沙城的防守就像是纸糊的。但其实不然，这次战役在开战前就因为中日双方实力悬殊而不被看好，长沙失守是意料之中。
日军兵力和火力过于强大，而薛岳对日军进攻方向的判断有误，兵力部署不当，使战局一开始就处于被动。国军在非常艰难的情况下进行了顽强的抗击。在汨罗江、宁乡、益阳、浏阳都给予日军巨大杀伤，但国军正面防守和侧翼机动的部队都在日军宽面拉网和二线兵团的反复扫荡中被打残击溃。长沙，早成了一座名副其实的孤城，在日军优势兵力和强大火力的攻击下，自然难以坚守。
而第4军军长张德能临阵调度也出了大问题，使原本捉襟见肘的兵力一部在湘江被大量杀伤，一部离阵溃逃，长沙东北线防防务空虚，不攻自溃。
由于战前指挥权不明，中国守军唯一的“重器”岳麓山重炮师也因为步跑不协同、指挥不统一，而不能发挥作用。张德能自断两臂，所以造成了长沙城防守一触即溃的局面。
这次长沙战役，虽然长沙失守，薛岳没有创造奇迹，但他以守土之责和无畏的勇气，率军拼了一把，迟滞了日军行动，杀伤了大量日军，对后面的衡阳城防守起了很大的作用。
日军占领长沙后，乘胜向粤汉、湘桂铁路交汇点和战略要地衡阳逼近，抗战史上交战时间最长、伤亡最多的城市攻防战即将打响。
