第九战区防守汨罗江防线的部队，是第99军（两个师）及第37军。汨罗江南岸由左至右为：第99军的第99师防守湘阴至营田以东之线，第师防守归义东西之线，第37军的第95师防守新市、伍公市之线，第60师防守秀水塅、浯口、张家渡之线，第140师控制于金井地区，为军预备队。
12月27日，日军第3师团的骑兵联队，于11时左右首先由归义附近渡过汨罗江，突破守军第师阵地，进至栗桥以北，掩护其主力渡江。第6师团及第40师团，在击破第37军在汨罗江北的前进阵地及据点后，其先头部队于傍晚，先后在兰市河与长乐附近强渡汨罗江，占领了滩头阵地，但在第37军坚强阻击下，未能进展。
12月28日，日军第3师团主力全部进至汨罗江南、沿粤汉铁路两侧向南突进，18时前后进至八里塅、金鸡山、大娘桥等地。守军第99师等退至牌楼一带。第6师团及第40师团，遭到纵深阵地内依托既设工事和据点，顽强防守的第37军的阻击，进展缓慢。
由于日军第3师团已经深入，左翼形势严峻。
薛岳命令第37军预备队第140师向铁路方面增援，归第99军指挥，阻击日军第3师团；令第37军军长陈沛率指挥所向前推进至米公源，就近直接指挥第95师和第60师的战斗；令位于陈家桥、三江口地区的第20军和位于长湖、新寨地区的第58军向长乐街、大荆街方向攻击日军侧背，以牵制日军第6师团及第40师团主力，阻其南渡汨罗江。
阿南惟畿企图围歼汨罗江南岸的第37军，于28日晚，令第3师团向左回旋，迂回至第37军后方的福临铺。该师团遂由大娘桥附近连夜兼程东进。
12月29日，日军第3师团于凌晨进至新开市附近，向退至新开市的第99师发起攻击。这时守军第140师也已到达李家塅以西，薛岳遂令第140师接替第99师防守新开市附近阵地，令第99师退守湘阴和营田。日军第3师团及第40师团主力，当晚已全部进至汨罗江南，与守军第37军相持于童家塅、西山庙、秀水塅、清江口一线。
12月30日，日军在航空兵及炮火掩护下全线发动猛攻。日军第3师团除留一部兵力仍在铁路附近继续攻击守军各据点外，主力在攻占新开市后向东南急进，当晚进至福临铺。先头进至麻林附近。
日军第6师团及第40师团也在攻占长岭、浯口等地后，于当晚分别进至福临铺和金井一带。留于新墙河以南地区的第20军之一部，于30日夜突袭驻在新墙东南长湖镇的日军辎重兵第40联队，给予歼灭性打击，并将其联队长森川启宇击毙。
当薛岳得知日军第3师团已突进至第37军后方的情况后，立即令第37军向金井以东山区撤退，转至外线待机实施反击。至此，汨罗江以南地区战斗告一段落。