元月4日夜，薛岳根据敌情变化再次调整部署，各集团军部队迅速到达了指定位置，开始了对由长沙撤退日军的大围歼、大追杀。

    罗卓英亲率第19集团军指挥部随26军到达长沙以东20公里的牌楼铺，他指挥第4、26、73军部队由南向北推进；杨森则在平江指挥27集团军所辖的20军和58军由福临铺一带自北向南，寻着日军的来路堵截过来；王陵基指挥30集团军37、78两支生力军自东向西席卷；99军军长傅仲芳率全军自西向东横扫；140师师长李棠挥师深入敌后，在新墙河一线截杀退却之敌。

    这个作战态势反映在地图上，呈现出一种凶狠而势不可挡的气势。历经数次会战中的苦心摸索探求和这次作战开始以来十余天腥风血雨的生死拼杀，薛岳终于将这幕雄壮的正剧推向高潮。

    4日晨，李玉堂接到蒋介石直接发给他的电报：

    敌人孤军深入，后方断绝，同时我主力正向敌人四面围击，我第10军如能抱定与长沙共存亡之决心，必然摧破强敌，获得无上光荣！

    消息传遍长沙各阵地，群情为之振奋，军政治部提出“苦战一夜，打退敌人，守住长沙，要回军长”的口号。

    4日上午9时，丰岛命该师团18联队突转攻击方向，由城南改向东门、即浏阳门突袭，联队长石井信令敢死队身裹炸药扑向城门。3师师长周庆祥亲自站在城墙上指挥反击，该师前沿士兵见敌人“肉弹”上来了，竟纷纷迎上去拉响手榴弹引爆日军身上的炸药。几声巨响中，冲上去的士兵们与日军敢死队员同时血肉翻飞。人们看见，那一瞬间天空出现一道血色霓虹。

    紧接着，又一批守军冲出阵地，在浏阳门前与相对冲过来的日军展开白刃肉搏。血肉横飞的一小时混战之后，双方士兵大都倒于血泊中。敌大队长横田的军刀锋刃上鲜血淋漓，而他自己也被两把刺刀刺穿喉咙和左肋，死后两眼大睁。

    18联队被迫向城南方向退回，联队长石井信大佐途中被守军迫击炮炸成重伤。抢救中，他欲言不能，痛苦万状，泪流满面而亡。

    中午11时，方先觉到29团阵地，向团长张越群宣布，重庆军委会已破格晋升他为少将团长。下午6时，方先觉携带好酒到28团指挥所慰问葛先才，鼓励他完成最后的坚守。

    中午12时左右，日军飞机向地面部队投弹药和给养。几朵大白花似的降落伞从天而降。降落伞飘飘悠悠，多数落在防军阵地以内，气得日军士兵朝天大骂。

    在两军士兵一同瞩目中奇迹发生：一只给养箱被我军岳麓山炮兵阵地的火炮击中于天空，一整箱罐头、米团、装满饮用水的军用水壶等物品炸了个满天开花。我军士兵见状高声欢呼，喊声长达数分钟，士气为之大振。参加守城作战老兵数十年后回忆往事时无一不提及此事，引为战场奇观。事后，炮兵们之间也为争此“荣誉”相持不下。

    下午3时，日军在长沙发起最后一次攻击。由于大部分枪支已没有子弹，丰岛下令肉搏。寒风中，数百名日军士兵赤着上身嘶喊着冲上来，守军则回以炮击和枪弹、手榴弹。敌人送死般一排排倒在阵前，直到后面的不再冲上来，才结束了这次毫无意义的自杀式进攻。

    下午5时，仍在长沙的日军师团指挥官同时接到阿南惟几关于退出长沙、立即反转的严厉命令。几乎弹尽粮绝的日军也再无其他选择，纵火烧毁就近的房子，将带不走的作战物资炸掉，开始退却。

    在城北的第6师团退却之前的最后一次攻势，是指向朱岳190师569团湘春路和570团华南女校阵地的。战斗中日军使用了毒气，根据风向，这是攻城战斗中唯一可以使用毒气的地带。守军官兵百余人中毒丧失战斗能力。团防毒面罩很少，优先配给机关枪手，许多士兵在毛巾上