但是，第一次在长沙受到重挫的日军并没有放弃侵吞我领土的野心。1941年9月，日军卷土重来，出动陆海空总兵力12万余人。此战日方吸取第一次长沙会战战线过长、补给不畅的教训，强拉中国民夫15万人修筑从湖北通往长沙的道路，以疏通战时运输线。
第二次会战前，薛岳就判断：日军吃过瓮中捉鳖的苦头，第二次打长沙一定会采用新的战术，他断定日军一定从湘北方向单刀直入。不出所料，日军主力从湘北进攻。薛岳灵活运用他拿手的“天炉战法”--薛岳把大部队预置于侧翼，只是以非主力兵力与日军接触，假装正面抵抗，且战且退，引诱日军主力进入汨罗江以南、捞刀河两岸一带。一直到日军先头部队已逼近长沙，日军便衣队甚至渗透进长沙市区，薛岳率领的国军主力仍隐忍不发，按兵不动。
9月29日子夜，日军第4师团、第13师团先头部队正准备包围长沙城郊，薛岳突然发动攻击，如同拉满弓弦突然将箭射出。他命令预先埋伏的两个军向日军发起猛攻，另两个军由浏阳河两岸攻击日军的侧背，然后调动5个军向万家铺、新安铺之线急进，在日军撤退的必经之路设伏。
9月30日，薛岳再出招，命令第11、12挺进支队紧急将杨林街、长乐街道及新墙市道彻底摧毁，以此斩断日军退路，合围态势形成。10月1日，薛岳下令总攻，以逸待劳的国军将士奋勇向前不断冲杀，一直处于急行军状态的日军早已兵疲马困，渐渐不支。在战斗间隙，只要稍有休战调整的机会，日军往往倒地就睡。而此时却是薛岳的国军敢死队大显身手的时候，许多日本人尚在睡梦中，便被国军敢死队员手刃。日军夜里不敢睡，白天精神不济，作战时昏昏沉沉，不断遭到国军的追杀及沿路的游击袭扰。日军在“天炉战法”的熔炉内再也无法组织有效反攻，最终溃退而去。
薛岳的“天炉战法”在长沙会战中大显神威。冈村宁次亦不由得发出“撼山易，撼薛将军难”的哀叹。第二次长沙会战虽然获胜，但由于敌众我寡，国军损伤仍然很重，堪称“惨胜”。据薛岳提供的数字，我军伤亡59000人以上，日军死伤4万余人。
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