1941年秋，日美两国的谈判陷入僵局。日军大本营于是开始考虑对美作战问题。9月15日，大本营在召开的各军参谋长会议上正式通知中国派遣军：“10月上旬，决定对美国的和战问题。到10月末完成战备，从11月左右起，实施南方作战，从而坚持帝国贯彻中国事变，确立大东亚共荣圈，依靠日、德、意三国条约的方针。”
9月18日，大本营下达了准备南方作战的命令，并令中国派遣军调出一部兵力。25日，大本营又发出指示：将“在对中国作战中发起南方作战方案”作为中国派遣军制定作战计划的依据；在南方作战中，从中国抽出的部队为第21、第33、第5、第18等师团及其他军直属队、航空部队，另外第11军的第4、第6师团要集中在华中三角地带，作为大本营的预备队；在武汉地区，适当整理襄西、岳阳、南昌附近等地的兵力，收缩作战区域，在确保武汉周围要地的同时，集结若干预备兵力；若苏联参战，首先从华北方面调用3个师团，从武汉地区调出第3师团和必要的军直属部队，另为该地区增加1个混成旅团。
按照日军大本营的设想，第11军原定的作战任务就将发生重大变化。1938年10月日军占领武汉后，日军大本营给第11军下达的任务是：协同海军确保自岳阳至长江下游的交通，以武汉三镇及九江为根据地，摧毁敌之抗战意图；作战地区大体上限定于安庆、信阳、岳阳及南昌之间。
阿南惟畿此时自然不情愿大幅度收缩作战地区，白白放弃已吃到嘴里的“肥肉”。其直接领导中国派遣军也不甘心，而且他认为，收缩第11军的作战地区，应依南方军的作战成果而定，特别是宜昌，它是封锁重庆的关键地区，暂时不能将其放弃。
大本营在获息中国派遣军的这一意见后，没有马上做出答复，而是指示第11军来具体研究这个问题。但中国派遣军派往大本营的作战参谋已向第11军透露了“大本营让放弃宜昌”的意见。无奈之下，第11军在经过反复研究后，向中国派遣军总部提出如下报告：
军按照大本营计划，随着第4、第6师团的转调和第3师团的准备转调，撤离南昌、岳阳和宜昌。有必要缩小信阳、九江、德安、蒲圻、沙洋等占领区。但如果在下述条件下，到明春保持襄西地区，是可能的。
(1)停止第13师团的三单位制改编。
(2)第3师团虽改编为三单位制，但不减少人马。
(3)在明春以前大本营不调用第3师团。
(4)给我军增加1个支队(4至5个大队)。
中国派遣军总部在接到第11军的报告后，于11月4日致电大本营：在抽调出第4、第6师团，同时准备抽调军直属部队的情况下，给第11军增加1个独立混成旅团；暂不抽调第3师团和暂不将其改编为三单位制；不改编第13师团。
中国派遣军总部还在电报中力陈不应放弃宜昌的原因：
宜昌为我军占领地区中对重庆施加压力的惟一要地，现又牵制其周围的敌精锐部队主力。目前，如让这些部队在襄西平地自由活动，恰如放虎归山，对我军战术方面，显然极为不利；宜昌是迫于饥饿状态的重庆方面的最大输血路。若放弃宜昌，将使封锁作战的效果大为减弱；特别是在未收到南方作战效果之前放弃宜昌，会使重庆方面提高战斗意志，对国际上也有影响，且使国民政府(指汪伪政权)及日侨的士气沮丧。
日军大本营接到中国派遣军总部的报告后，经过研究，于11月6日正式通知第11军：除第4师团外，不抽调第6师团，并于1月中旬给第11军增加1个独立混成旅团；同时，第11军的任务和作战区域不变。
阿南惟畿在接到大本营这一通知后，欣喜若狂，并在其当天的日记中用这四个字来形容其当时的心情。
11月8日，第4师团奉命脱离第11军的作战序列，由大本营直辖，准备在上海附近集结。11月18日，中国派遣军命驻太原的独立混成第9旅团开到武汉地区，受第11军指挥。
12月3日，大本营陆军部向中国派遣军发出第575号命令：大本营为了帝国的自存自卫，建设大东亚新秩序，企图在攻克南方主要地区的同时，迅速处理中国事变；中国派遣军必须确保从岳阳至长沙下游的交通，以武汉三镇和九江为根据地，加强对敌封锁，竭力摧毁敌之抗战能力，作战地区大致在安庆、信阳、岳阳、南昌之间。
这样，日军第11军主力便没有被纳入大本营南方作战计划之中，仍执行其原来的任务。
1941年12月8日，日军偷袭美国在太平洋地区的海军基地珍珠港，太平洋战争由此爆发。
同日，驻广州的日军第23军正式向香港发起进攻。
同日，蒋介石令在长沙附近的暂编第2军及第4军开始南下，准备策应香港方面的英军作战。
12月10日，日军第11军召开各师团参谋长会议，研究下一步对第9战区应采取的策略。在这次会上，阿南惟畿训示其属下说：由于南方作战的开始，人们心中弥漫着一种认为中国方面已成为次要战场的想法，要特别以此为戒。在此时机，自始至终要采取积极手段，对重庆施加压力，至少不能松懈，要整备进攻的态势，进一步加强部队的教育训练。
12月12日，日军第11军得到了第9战区部队一部已开始南下的情报。参谋长木下勇得知这个情况后非常兴奋，他认为这正是对第9战区发动进攻的大好时机。理由很简单，但又很站得住脚：牵制第9战区部队南下，策应第23军及南方军的作战。
12月15日，第11军制定了具体的作战指导方案。作战发起的时间定在12月22日前后，作战期限定在两周左右。阿南惟畿清楚，在目前日本战线拉得如此广大的时候，大本营对于中国这个泥淖已无能为力，失去了彻底征服中国的信心，要扩大战场，肯定不会得到批准。他的设想是：以第6、第40师团将新墙河南岸的第9战区第20军击溃，并于关王桥附近将其捕捉歼灭；然后，随着第3师团的到达，投入第6师团的右侧，将汨罗江南岸地区的第37军击溃后，即结束作战。
中国派遣军总部很快就批准了日军第11军的这个作战方案。同时，令独立混成第9旅团及第1飞行团协同作战。
第二次长沙会战结束后，第9战区上下都进行了长时间的检讨，总结有关的经验教训。
11月17日，薛岳在长沙召开战区官兵代表会议，就有关训练、作战等问题做了指示。
前两次作战，日军基本上都是长驱而入，随后又全身而退。第9战区的部队虽然给了日军以一定打击，但相比之下，第9战区部队本身的伤亡更多，损失更为惨重。这让薛岳对日军的作战能力有了更为清醒的评估，同时，也加深了其对消灭对方有生力量重要性的认识。
另外，对于如何对日军进行逐次抵抗，如何切断其退路，怎样选定决战地区等问题，前两次作战处理得都不够妥当，这也是薛岳自第二次长沙会战结束后一直在考虑的重点问题。
薛岳认为，在敌我双方军事装备和综合作战能力相差悬殊的情况下，一味采取硬打硬拼，“与阵地共存亡”的战术，并不策略。那样，往往会造成被动挨打的局面，并为日军所包围歼灭，只会付出无谓的牺牲。而为了诱敌深入采取直线后退也不是好办法。因为，日军的机械化部队多，骑兵多，跑得快，第9战区部队在后退时，很容易被日军追上；同时，部队一旦直线后退，就很难再站稳脚跟，这样，反而会冲乱己方后线阵地，从而造成一种不可收拾的溃退局面。
在经过长期反复考虑后，薛岳在这次会上提出了号称“天炉战法”的一整套作战方案。对此，薛岳在回忆第三次长沙会战时曾这样说道：
自第二次长沙会战之后，最高统帅蒋公即亲莅南岳，召集各军、师长剀切训示今后作战方略；11月17日，余复集全战区官兵代表于长沙，举行会议，谆谆嘱以战胜决于平时，故平时应视如战时，操场应视如战场。且本既往所得之经验教训，创“天炉战法”。天炉战者，为在预定之作战地，构成纵深网形据点式阵地，配置必要之守备部队，以伏击、诱击、侧击、截击、尾击、堵击诸手段，逐次消耗敌力，挫其锐气，然后于决战地使用优越之兵力，施行反击及反包围，予敌以歼灭打击。盖为后退决战方法，因敌之变化而变化之歼敌制胜新方略，如炉熔铁，如火炼丹，故名。
具体来说，薛岳“天炉战法”的指导思想就是：当日军发起进攻时，第9战区的部队在保存自己的情况下，节节抵抗，节节后退，尽量地拖累和疲耗敌人，达到这一目的后，便自动向斜侧后方山地撤退(不是直线撤退)，绕到敌人的包围线外面去，从更大的层面上形成对日军的反包围，砌成两面“天炉之壁”。同时，在中间地带，彻底地破坏交通道路，空室清野，诱敌至决战区域，而断其后路，从四面八方构成一个天然“熔炉”，最后将包围之敌予以歼灭。
当年的中国战史出版局还曾专门出版了薛岳撰写的《天炉战》一书。书的前言有这样一段文字介绍：“他（指薛岳）的战略战术足以法天地之幽邃，穷宇宙之奥秘，为鬼神所惊泣，人事所难测，无以名之，故曰《天炉战》。”虽然未免说得过于玄虚，不过，从当时各方面的条件来看，薛岳这次的作战指导方案显然要比前两次更加合理。
根据“天炉战法”的要领，第9战区在进一步研究了以往的作战经验和阵地地形后，决定以新墙河为第一道防线，汨罗江为第二道防线，长沙城外的捞刀河与浏阳河之间为第三道防线。前两道防线主要是伏击区和诱击区，第三道防线才是决战地区。
形成了完整的作战方案后，薛岳令各部队做好相应的作战计划；同时，下令实行全民总动员，破坏道路，向水田蓄水，组织战时民工队等，全面加强战备。
傍晚，日军在雨雪交加中向新墙河南岸守军阵地发起了攻击。
当时，防守新墙河南岸阵地的只有第27集团军第20军1个军。因为，薛岳并不准备在新墙河一线与日军大打。第20军的主要任务是阻敌，尽可能地耗损敌人的力量，疲劳敌人，顿挫敌人进攻的势头，延缓日军南下的步伐。
第20军属川军，军长杨汉域，四川广安人，从云南讲武堂毕业后，一直在川军中任职，于1938年担任第20军军长。该军只有两个师的编制，而在新墙河北岸集结的日军有3个师团。以两个师的兵力要完成阻击装备优良的3个师团的日军10天的任务，其困难可想而知。
但第20军没有临阵退缩。为了完成阻敌任务，杨汉域要求守军各部在占领阵地时，做到据点工事与野战工事同时占领，以据点工事为骨干，加强野战工事的纵深配备。在使用兵力时，各部应以一部兵力置于连排据点，尽力抵抗；以一部占领野战工事，利用阵地纵深逐步抵抗，将主力放在最后一线阵地，机动使用。作战时，敌人若向据点工事里的守军攻击，野战工事里的守军应立即进行火力支援，或适时派部队反击；若敌人向野战工事里的守军攻击，据点里的守军应即以火力向敌人射击，或者离开据点向敌尾击。各部主力此时应乘敌混乱之际，不失时机地对敌反击，消耗敌人。经过逐步抵抗，到最后一线预备阵地给敌人以重大杀伤后，再向侧面阵地转移，向敌侧击、尾击。
实践证明，第20军的这种打法还是比较符合战场实际的，并有效地延缓了日军南下的步伐。
25日，已经渡过新墙河的日军3个师团，在稍事休整之后，又分东、中、西三路，向守军第二线阵地发起进攻。
这时，杨森一面令第20军向斜后移动，一面令第58军进入阵地，与第20军互相配合，协力迎击日军，双方在汨罗江北岸又一次展开了激烈的拉锯战。
当时，雪越下越大，气温也越来越低，而守军许多士兵连棉裤都没有，有的竟被冻死在战壕内。但活着的士兵，仍坚守阵地，没有贪生怕死之辈。
守卫傅家桥据点的第20军第398团第2营营长王超奎少校及其部属，面对日军猛烈的炮火，毫不畏惧，打退了日军一次次的冲锋。后王超奎为掩护部属突围，在与日军肉搏中不幸殉国。
守卫洪桥据点的第398团第3营一部，在副营长、连长相继阵亡的情况下，仍坚守阵地。
第397团全团官兵在黄沙街硬是顶住了日军第6师团整个师团的进攻，并迫使其绕道而行。
激战至27日晚，第20军完成了阻敌任务，薛岳令第27集团军全线撤退。随后，第20军向梅仙、平江方面转进，隐蔽休整，随时骚扰日军后方，待机袭击其侧翼；第58军向汨罗江东南部转移，靠近向家、金井，准备切断进攻长沙的日军的后路。
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