第九战区发觉日军撤退后，立即命令在长沙附近围歼日军的各部队改变任务，转为由不同方向围追堵截歼灭撤退的日军部队。以罗卓英副司令长官指挥第26、第4、第79军为追击队；以杨森副司令长官指挥第20、第58军为堵击军；以王陵基副司令长官指挥第37军、第78军为东方截击军；以第99军军长傅仲芳指挥该军为西方截击军。

要求彻底歼灭败逃之敌于汩罗江以南，捞刀河以北地区。薛岳发给各部队的电令最后说：“此次北溃之敌，伤亡惨重，弹尽粮绝，无论追击、堵击、截击，各军应绝对快速机敏，勇猛果敢，索敌而歼灭之。如有作战不力，任敌安全逃逸者，决依法重惩。其俘获甚多者必从优叙奖。”

日军第3师团接到撤退命令后，于4日黄昏开始向东山撤退，5日凌晨2时到达东山时，受到中国第79军的堵击。第4军一部由长沙城南向?梨市迂回，向日军第3师团侧击。日军第3师团在第79军和第4军夹击下，陷于混乱，伤亡甚众。由于浏阳河渡桥已被第79军炸毁，日军被迫沿浏阳河南岸向磨盘洲退却，企图仍由来时的渡河点徒步渡河，但遭到北岸第79军所部密集火力的堵击，死伤溺死者500余人，因而改向?梨退却。

至6日凌晨，该师团退至浏阳河北岸与第6师团会合。此时，第4、第79、第26军跟踪追敌至?梨市附近，向日军发起攻击。日军两个师团被迫并列向北退却。至7日凌晨退到捞刀河北岸，枫林港地区。日军第40师团在春华山地区受到第78军的攻击，然后向金井方向退却，沿途又不断遭到阻击与侧击。7日夜，该师团脱离了与第78军的战斗，退向学士桥。

1月8日，日军第3、第6师团由捞刀河北岸继续北退，沿途不断遭到中国军队的截击、侧击，退至青山市、福临铺、影珠山地区时，被中国军队包围于该地区。阿南惟畿令独立混成第9旅团南下解围。8日晚，该旅团对影珠山发动攻击。在该地区担任堵击任务的第20、第58军立即反击日军，经彻夜激战，将该旅团击溃，并将其一个大队包围于影珠山附近。战斗至9日10时，该大队除一名军曹逃脱外，大队长山畸茂以下官兵全部被歼。

日军资料对该大队被歼情况作了如下记载：“天明后，在山上双方的混战极为激烈，官兵们不断负伤倒下。10时左右，我弹药用尽，在到处的草丛中，可以听到伤员的呻吟声和自绝的枪声，山畸大队长负伤，满身是血，但仍继续指挥战斗。最后山畸大队长终于决心殉国，于是命本部附斋藤军曹突围向上级报告关于夜袭及其后战况与决心殉国等情况。该军曹巧妙地突破敌线，日落后回到旅团司令部，报告了情况。斋藤军曹走后，山畸大队长再度遭到迫击炮弹的轰击而死亡。接着士兵们就用刺刀互相刺杀或者用手榴弹自爆而死。”

1月10日，日军第6师团向北突围，被第20军和第58军分割包围。阿南惟畿得报后，即令第3师团、第40师团及第9旅团解第6师团之围，并集中兵力向北撤退。11日，日军第6师团及第3师团陆续突出中国军队的拦截线。第40师团亦从春华山东北学士桥北撤。日军一面撤退一面抵抗，至12日退至汩罗江北岸。15日，日军退至新墙河北原防地，至16日，基本恢复了会战开始前的态势。第11军指挥所撤回武汉，会战结束。

会战期间，赣北方面日军一部曾向西出动，配合主力作战，在中国军队的反击下，于1月5、6日间退回原防地。日军第1飞行团动用飞机50余架，支援地面部队作战，给中国军队造成一定伤亡。此时，中国空军尚未恢复实力。但在日军撤退途中被包围于福临铺地区时，中国空军第二大队从成都起飞轰炸机9架，至长乐街轰炸，配合中国地面部队作战，返航途中遭到日机8架战斗机的攻击，损失轰炸机两架。但以轰炸机的火力击落日机一架，击伤其两架。

此次会战，第九战区战绩公报说，日军伤亡56944人，俘虏日军139人。我军伤亡29217人。而日军战史公开的数字是，日军战死1591人，战伤4412人。

第三次长沙会战，是太平洋战争爆发后，日军在中国战场上发动的一次较大规模的战役。此时，日军南方军正在横扫菲律宾、马来亚等地区。而日军在中国战场上却遭到了惨败。日军资料说，其损失为进攻香港作战部队损失的2.5倍。此次会战的胜利，在国内外都产生了积极的影响，不仅进一步坚定了全国军民抗战必胜的信心，对提高反法西斯战争盟军的士气，对支援美、英在太平洋战场作战也有一定的作用。