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1941年12月14日，日军第11军司令官阿南惟畿命令，参战部队开始向岳阳以南预定地区集中。第6师团于20日在新开塘附近集结完毕，第40师团于21日在托坝附近集结完毕。由于中国游击部队的袭扰和破坏铁路，第3师团迟至25日才全部到达龙湾桥附近。
为掩护其主力部队集结和展开，第6、第40师团的先头部队，从18日起即各以一部兵力，向新墙河以北中国守军前进阵地攻击。
中国第九战区第一线守备部队，是第27集团军的第20军。
沿新墙河南岸由左至右为：第133师防守磊石山、鹿角、荣家湾、新墙之线；第134师防守潼溪街、杨林街及油港河南岸草鞋岭、方山洞之线。
新墙河以北的莄口等地设有前进阵地及据点。暂编第54师位于幕阜山以北，警备九岭、麦市、斗米山之线及通城等前进据点，以保障新墙河阵地右侧背。
在第134师和暂编第54师之间黄崖市地区集结有第58军。该军随时支援第20军作战。
日军为进占新墙河北岸渡河进攻出发地，22日，第40师团以第234、第235两联队，先期向油港河南岸守军第134师阵地发起攻击。激战一昼夜，日军于23日进至莄口。
当日晚，阿南惟畿在岳阳指挥所下达了进攻命令：
（1）飞行第44战队协助我军攻击。（2）我军企图以第6、第40师团，从12月24日夜开始攻击，在新墙东南地区击溃新墙河北岸地区之敌后，再击溃汨罗江左岸地区之敌。（3）第6师团应于24日夜发起攻击，在新墙西方地区突破敌线，捕捉该地以西之敌，进入三江口（关王桥西南五公里）附近。（4）第40师团应于24日夜发起攻击，在潼溪街、东乡地区突破敌线后，捕捉该地以西之敌，进入关王桥附近。（5）第3师团应于25日拂晓，以一部炮击潼溪街附近敌阵地，协助第40师团攻击，主力转到第6师团右侧，在新墙渡河捕捉所在之敌，进入归义附近。
12月24日，日军第6师团全部进至新墙河北岸，占领了渡河进攻出发地。左翼第40师团首先发起攻击，在猛烈炮火掩护下，于当天14时在莄口附近强渡新墙河。徒涉过河时遭到守军第134师坚强抗击。傍晚时渡过新墙河，突破守军罗袁塅阵地，向潼溪街攻击前进。
第27集团军急令第58军新11师由黄崖市向杨林街前进，由东向西侧击敌人，策应第20军作战。第134师右翼方山洞附近的部队也向南撤退，与主力靠拢投入战斗。
右翼第6师团于24日傍晚开始进攻，当夜强渡新墙河后突破守军第133师阵地，攻占了新墙、七步塘等据点。第133师除留置一部兵力守备纵深内各据点外，主力向南岳庙、洪桥以南转移；第134师退守十步桥东西之线。
25日晨，日军第3师团随第6师团之后徒过新墙河，从右翼投入战斗，沿粤汉路东侧攻击前进。这时，守军第58军新11师由杨林街附近，向日军第40师团右侧后攻击，第58军新10师也进至胡少堡附近。
激战至晚，日军进至黄沙街、大荆街、三江口、关王桥以北地区。守卫傅家冲、洪桥两据点的第398团第2、第3营依托工事顽强抗击，从凌晨打到天黑，曾数次击退日军的冲击。
日军久攻不破，便集中大量炮火将守军阵地炸成一片焦土，第2营营长王超奎和第3营副营长吕海群及所属四百余名官兵全部壮烈牺牲。
26日，日军以一部兵力围攻第20军阵地纵深内各据点，攻击第58军之侧击。主力向汨罗江北岸地区突进，在攻占关王桥、三江口、大荆街及东沙街等主要据点后，继续向南攻击前进。当日晚，日军右翼第3师团进至归义汨罗江北岸，中路进至新市汨罗江北岸，左翼第40师团进至长乐街。
27日晨2时，薛岳命令第37军加强汨罗江南岸防守，阻止日军渡过汨罗江；命令第20军、第58军向东南山区撤退，准备尔后反击。
这时，留置日军后方防守据点的各部队，已大多突围撤走，与主力会合。