第34师团、第58师团与68师团之58旅团，从6月16日开始对有坚固设防之岳麓山、长沙市街发动进攻。
为此，34师团应适时中止在高家坊山地对中央军第162师之作战，在长沙以北约16公里之赵家庄，57旅团于6月11日之夜间从白沙洲渡至湘江以西，迂回进攻岳麓山之守军。
接到横山第11军的这项命令后，日军在东部的第3、第13师团随之开始行动。
防守浏阳地区的是王泽濬的44军之第150师、161师，以及从汩罗江以南撤至该地区37军之第60师、第95师、第140师等部队。
第13师团此时继续从浏阳以东的官渡、永和向浏阳东南迂回，该师团在与守军连续交战之后，进抵浏阳以南之聂桥；其116联队则到达了聂桥以南的大窑铺，第63联队又进至大窑铺东南的上栗市，从东面、南面迂回、包围了浏阳。
第3师团在13师团的策应下，以3个步兵联队和骑兵、炮兵联队，从浏阳西北约20公里洞阳市、北盛仓、永乐桥地区分3路攻向浏阳。
第3师团进攻浏阳时，除赤鹿理的第13师团在东南予以策应外，在其以西的春华山、永安、江背、镇头这一地区，则有佐久间为人的68师团给以直接支援。
当时防守于浏阳地区有第44军、有从汩罗江两岸撤来的第20军、第72军以及从醴陵方向赶来增援的鲁道源之58军。由汩罗江以南后撤的第37军，其时位于浏阳西南约40公里之官庄地区。
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58军向浏阳开进时，原计划是配合已在浏阳的44军、20军、72军，合围至浏阳东南、且与其他师团相距较远的敌13师团。但这一行动被敌发觉，横山的11军随之于6月12日的夜间，令第3、第13、第68师团急速向浏阳地区集结，以防孤立、突出的第13师团在浏阳东南遭到围歼。
接到这一命令的第3师团，其西路、中路则加紧攻击前进。第68师团则由镇头攻向普迹、官庄，从西南方向接近浏阳。
经在浏阳外围的激战，第3师团能联队之第1大队、骑兵第3联队、野炮兵第3联队，于6月14日上午4时，攻占了浏阳城西的西湖山，随之即由该地进攻浏阳城，随后浏阳城被日军攻占。
此次作战，从5月27日至6月10日，经15天的野战之后，日军前进了约130公里，于6月10日到达了长沙的外围，并作攻城的准备。
6月18日，日军攻占了中央军张德能第4军3个师所防守的长沙城，以后即沿湘江两岸继续南下，进攻衡阳。
占领长沙，这对于横山勇的第11军以及整个中国派遣军而言那都是极为有意义的事情。
从1939年开始，日军就开始集中兵力，试图夺取这座战略重镇，将整个湖南鱼米之乡纳为他们的侵略版图中，但是由于重庆方面的坚决抵抗，所以三次长沙会战日军都没能拿下这座重城。
尤其是在第三次长沙会战的时候，日军更是在薛岳将军的天炉战法面前吃了大亏，7万大军仅仅逃回去不到两万人，堪称损失空前。
然而这次作战，仅仅不到二十天的时间，他们就拿下了这座重镇，意义确实重大。
但是，在这样的重大胜利面前，日本人却依旧高兴不起来，原因是日本本土遭到了美国空军的轰炸。