日军第3、第4师团及早渊支队，沿粤汉铁路两侧地区迅速向南突进，第3师团一部迂回到第4军侧后。日军平野支队也搭乘海军舰艇，沿洞庭湖东侧前进到湘江口的青山附近登陆，与主力协同，向守军第99军展开进攻。
至16时，第4军第二线阵地又被日军突破。该军军长欧震鉴于日军兵力占优势，攻击猛烈，且有空中支援，正面阻击已不能奏效，遂令各师逐次掩护，向关王桥以东山地转移，占领有利阵地，以便尔后机动或侧击日军。
为加强湘北主战场力量，18日夜，薛命令第72军从修水、三都地区西进至通城附近，并令暂编第54师，准备担任该方面反击作战；令第20军（缺暂编第54师）进至王安屋、朱公桥方面，协同第58军、第4军向西侧击渡河南进日军。
同时，薛岳向军委会提出，调三至四个军驰援湘北作战。
19日，日军第4、第3、第6师团快速向南突进，傍晚分别到达汨罗江北岸的石头铺、长乐街附近；第6师团以一部从磨刀石渡河，与南岸守军第37军在颜家铺、浯口一带交战。
这时，汨罗江南岸守军只有第37军和99军。
9月18日，薛岳根据预定的在汨罗江两岸与日军决战、反击而歼灭日军的计划，命令第37军守备浯口至骆公桥之线；第99军的第99师守备骆公桥以西、营田至湘阴之线；第92师推进至三姐桥以北，占领阵地阻击日军；第26军主力由浏阳开赴金井附近；第72军调往平江，准备作战。
随后，薛岳又令第27集团军各军，向汨罗江以北日军侧背的长乐街、磨刀石、归义、新市等地攻击，迟滞日军南进；令第26军由金井向瓮江推进；令在衡山、渌口的第10军向高桥、金井一带开进。
但是，薛岳9月18日发给各集团军、各军的电报，被日军特种情报部门窃收并破译。日军第11军原定沿长（沙）岳（阳）公路突进至汨罗江南岸后，将主力第3、第4师团使用于战场西部（湘江方面）。司令官阿南惟畿获悉，薛岳以四个师守备汨罗江既设阵地，而将主力置于战场东部的瓮江等地侧击日军的情报后，立即改变作战部署：
令第3、第4师团逐次转向浯口、瓮江东侧阵地；令第40、第6师团从东面山地迂回，对中**队第37、第26、第10军形成合围态势，予以歼灭。
9月20日，军委会电令：第九战区固守湘江两岸及汨罗江南各阵地，加强抵抗，保持主力于外翼，力求攻击敌之侧背；令第三、第五战区乘虚向当面之敌攻击，以策应第九战区作战。令第六战区向荆州、宜昌地区日军积极袭击，相机收复宜昌。23日开始实施。
同日，日军第4、第3、第6师团及早渊支队从骆公桥、新市、磨刀石、浯口等渡河点强渡汨罗江，突破第37军前进阵地。守军向主阵地撤退。日军第40师团配属荒木支队，击退第4军侧击后，留江藤支队掩护补给线，主力转向新官桥、瓮江以东地区，预定经平江迂回前进。
9月22日，日军在航空兵支援下向第37军主阵地攻击。激战三天。至24日，日军第3、第4师团突破守军主阵地，将第95师、第140师包围。第37军两师伤亡甚重，奉命突围向麻林市方向转移。
9月21日，日军第6师团从浯口向瓮江北侧转进，与刚到达战场的第26军遭遇。日军凭借优势兵力逼进，向第26军第44师右翼包围。第26军令第32师向浯口日军侧后攻击，恰巧与第32师团后续部队遭遇，激战至23日，第32师伤亡较大而被迫后退，第26军有被分割之危险。
薛岳即令第26军以蒲塘为中心，各师靠拢阻击日军。第26军立即调整部署，令第32、第41、第44师在蒲塘四周构成环形防御。
24日，日军第40师团也加入对第26军攻击。25日夜，日军从东正面和南正面突入第26军阵地。第26军奉命向金井东南地区转移，与由平江南下的第72军协力作战。
这时从衡阳、渌口北上的第10军已到达战场，奉命在高桥、金井、福临铺一线占领阵地。9月24日，由浯口附近突围南进的第37军第140师转进到金井附近，日军第3师团沿长岳公路追来，日军第6、第40师团也绕过第26军右翼进至金井附近，与第10军遭遇。
24日上午，日军第3、第6师团在航空兵支援下，分别向第10军的预备第10师、第190师发起攻击。25日，日军第3师团占领福临铺。第4师团、早渊支队也已赶来，开始向第10军第3师攻击。
战至26日，第10军各师阵地先后被日军突破，金井、栗桥失陷。该军一部向金井东北日军后方转进，主力奉命向捞刀河以南朗梨市转移，收容整顿。
在此期间，薛岳曾命令第27集团军所属第4、第20、第58军，向日军侧后攻击，但未能到达切断日军补给线、迟滞其南进之目的。
从9月18日拂晓，日军第11军发起全线攻击，在炮兵、航空兵强大火力支援下强渡新墙河，一举突破河南岸守军第4军阵地，迅速向汨罗江沿岸突进。20日，突破汨罗江南岸守军第37军阵地。25日，突破蒲塘附近守军第26军阵地。26日，突破金井附近守军第10军阵地。开战不到十天，日军竟一连击溃中国三支大军，乘势向南突进。
第九战区司令长官薛岳预定在汨罗江两岸（主要是汨罗江以南），与日军决战并歼灭其主力的计划，不但没能实现，在此方向担任守备的各军，反被日军各个击破而损失惨重。