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1941年8月26日，日本大本营以“大陆令”第538号命令批准长沙作战计划。8月下旬，日军第11军开始向湘北集结兵力，进行作战部署：
第3师团配属四个山炮大队，由湖北应山附近出发，9月16日前后集结于岳阳东南的小桥圳；第4师团配属山炮、迫击炮各一个大队，由湖北应城、安陆地区出发，9月10日前后集结于岳阳东南的新开塘附近；第6师团配属两个山炮大队、一个迫击炮大队，由岳阳、崇阳出发，9月中旬集结于岳阳以南的草鞋岭附近；第40师团配属一个山炮大队，9月上旬由湖北大冶、咸宁地区，西移至桃林附近集结。
早渊支队以第13师团四个步兵大队、两个山炮大队为基干组成，由宜昌以南的紫金岭出发，9月15日集结于岳阳以东的冷水铺附近；荒木支队以第33师团三个步兵大队、一个山炮大队为基干组成，由江西安义地区出发，9月上旬集结于桃林附近；平野支队以独立混成第14旅团一个步兵大队、一个山炮中队为基干组成，9月中旬由江西瑞昌移至岳阳城陵矶附近集结；江藤支队以独立混成第14旅团一个步兵大队为基干组成，9月中旬由江西瑞昌移至临湘附近集结。
战车第13联队配属两个轻装甲车中队，9月中旬由武汉向岳阳集结；野炮重炮兵第14联队，9月中旬由武汉向岳阳附近集结；第11军工兵队以三个独立工兵联队、八个架桥材料中队为基干组成，9月中旬由武汉向岳阳、临湘地区集结。
9月15日，第11军在岳阳设立司令部战斗指挥所，并召集各部队参谋长会议，检查战前准备情况，并确定：
作战目的：摧毁中**队的抗战企图，给第九战区军队以重大打击。
作战方针：击败新墙河、汨罗江之间的中**队后，接着从长乐街附近进入汨罗江下游一线发动攻势，攻击河左岸的中国第4军及第99军。在新市至栗桥（新市南约25公里）公路一线突破敌阵地，以军主力将敌包围在公路以西湘江一带歼灭之；另一部（第6、第40师团）击败蒲塘（平江西南约10公里）方面山地内之敌。攻击汨罗江左岸地区中**队的时间，定为9月18日开始进攻。预定在9月23日，9月底前达到作战目的。
第11军集结后期，以一部兵力协同海军向洞庭湖西岸的常德佯攻。为牵制中国第九战区军队，令警备在南浔沿线（南昌方面）的兵团适时发动攻击。
第11军用于长沙方面进攻作战的地面部队，总兵力为45个步兵大队、26个炮兵大队，另有若干海军及航空兵协同部队，共约12万人。
1941年3月17日，第九战区制定了反击作战计划。
作战方针：赣北、鄂南方面，对非主攻方面之敌，力求将其夹击于崇仁、新淦以北，宜春、万载、铜鼓、修水以东及修水、长寿街、梅仙以北地区，予以各个击破；湘北方面，“敌如以主力由杨林街、长乐街、福临铺道及粤汉铁路两侧地区向长沙进犯时，则诱敌于汨罗江以南、捞刀河两岸地区，反击而歼灭之”。
指导要领：主要应用“诱敌深入、反击歼敌”的战法。
这次会战前，第九战区所辖正规部队为三个集团军11个军30个师，另有若干游击部队。
作战部署：
第27集团军总司令部位于平江。其所属第4军担任磊石山、鹿角至公田间新墙河南岸守备，并以一部占领新墙河以北筻口、大云山前进阵地；第58军担任黄岸市、九岭、北港、赛公桥一线守备；第20军担任通城、铁柱港、斗米山、杨芳林各线守备。
第30集团军总司令部位于修水。其所属第78军担任观音阁、潭埠之线守备；第72军以一部守备东坑岭、留咀桥之线，主力集结于三都南北地区。
第19集团军总司令部位于上高。其所属新编第3军担任靖安、奉新一线守备；第74军集结于新余、分宜地区整训；预备第5师担任市汊街、温圳一线守备；江西保安纵队担任锦江南岸守备。
第99军（战区直辖）担任汉寿、沅江、青山一带洞庭湖防及湘阴、营田、归义间湘江、汨罗江守备；第37军（战区直辖）集结于长乐街、瓮江、福临铺间地区整训。
第26军（军委会直辖）集结于金井、浏阳、永安市一线整训；第10军（军委会直辖）集结于衡山、株洲地区整训。
湘鄂赣边区挺进军（辖七个纵队），主力部署于咸宁、瑞昌间地区担任游击。
第九战区司令长官部位于长沙。
9月上旬，日军第6师团为掩护主力集结，解除渡河地带的侧后威胁，向第4军新墙河北岸前进据点进行扫荡作战，9月18日发起全面进攻。
战役打响后，军委会除将第26军、第10军拨归第九战区指挥外，又从第六战区调第79军、从第七战区调暂编第2军向第九战区增援。
第九战区参战部队有11个军30个师及若干游击部队，共约36万人。