最先拉開序幕的倒不是長沙方向的作戰，而是大隕石大雲山地區的戰鬥，而這場作戰雖然不是會戰的正式開始，卻也是之前的前奏曲，
位於新牆河以北數公里處的大雲山，海拔不過96o米，第9戰區的將其作為重要前進陣地之一，山頂配置了第4軍的1個加強營守備，而大雲山的西側則部署了第4軍-柏輝章第1o2師的第3o6團，而緊接著山麓的東側則為第58軍-梁得奎新編第11師的1個營。
在戰鬥之前，由於日軍已經開始大規模的季節，所以第4軍、第58軍等守軍部隊不斷派出小股部隊向日軍後方滲透，展開襲擊，破壞交通設施，遲緩日軍進攻起。
而這個時候，第11軍司令部方面為準備實施『加號作戰』，掩護各作戰兵團主力向新牆河以北集中，並能夠得以隱蔽展開、佔領較大的渡河地帶，故而在9月初就命令原在岳陽地區擔任守備的第6師團對大雲山進行掃蕩作戰，解除這一側後威脅。根據「為消除集結地域左翼的威脅，北由忠防、西由西塘攻向大雲山一帶第9戰區的游擊根據地」的命令，第6師團計劃於依照命令於9月7日起進攻。
9月7日晨，天剛亮，日軍第6師團的步兵第23聯隊、步兵第45聯隊在航空兵支援下從忠坊向大雲山北側雁嶺、詹家橋展開進攻。在遭守軍阻擊後，第6師團主力向東南方向展開迂迴；其步兵第13聯隊則向大雲山西側進攻，與守軍第1o2師生激戰。
而，位於平江的總司令部內.地第27集團軍總司令-楊森，即令位於平江縣城以北的南江橋地區的，孫渡第58軍主力向西北、位於岳陽縣城東南的關王橋一線進，掩護歐震第4軍主力向北推進確保大雲山地區，隨之，各部即在該地與第6師團生了更加激烈的交戰。
然而在第27集團軍現原本控制.在鄂南咸寧地區的日軍第4o師團向湘北調動的情況之後，第27集團軍總司令部卻據此判斷是與第6師團換防，而日軍向大雲山的進攻，只是尋常的換防前的例行攻勢而已。
於是第27集團軍總司令部在當.天下午18時左右，命令第4軍確保大雲山，同時命令第58軍派出部隊協同第4軍作戰，並以第2o軍準備從通城向西進攻，側擊日軍，乘日軍換防時給以打擊。毫無疑問，這個命令顯然是在沒有意識到日軍即將起大規模進攻的前提下，所下達的。
次日開始，直至9日，日軍第6師團主力繼續向大雲山.東側猛攻，守軍雖奮力抵抗，但終究因為日軍無論是在兵力，還是在火力上，均處於優勢，在付出慘重傷亡、依然無法組織日軍進攻的前提下，守軍第4軍一部不得不棄守大雲山。
然而砸9月1o日，當日軍第6師團長-神田正種中將認為.所部已完成掃蕩任務，率部撤離大雲山，向桃林方向集結的時候，該師團的步兵第13聯隊卻在甘田、團山坡附近戰線陷入膠著，步兵第13聯隊在被第4軍隊第1o2師、第59師所阻之後，已經陷於苦戰。
同日，孫渡第58軍克復大雲山陣地，向大雲山方向.增援的陳沛第37軍以董煌師長的第6o師為前鋒部隊，已到達大雲山戰場。這樣在兵力佔優勢的情況下，第27集團軍遂命第58軍隊新編第1o師、第4軍第59師、第37軍第6o師攜手作戰，包圍並殲滅當面日軍，定於次日拂曉開始全面攻擊，一舉消滅日軍。
這個時候，第9戰.區向所屬部隊下達了作戰命令，位於修水（縣）的第3o集團軍，以第72軍（駐修水縣以東的三都）於11日向以北的通山、楠林橋地區之敵動進攻。
湘、鄂、贛邊區挺進軍由副總指揮王勁修率第4、第5、第8挺進縱隊，進攻咸寧之敵，第6縱隊攻向崇陽，破壞敵之交通和遮斷其補給。
位於平江以西伍公市、栗山地區37軍之第6o師，向北開進至新牆河上游之楊林街佈防，並歸在該地的第4軍指揮。
海軍的佈雷第2大隊，在新牆河口以南的磊石山及湘江的虞公廟、烏龍嘴等處加緊佈雷。
11日，正當這新編第1o師、第59師、第6o師與日軍步兵第13聯隊激戰之時，由咸寧西進的日軍第4o師團的先遣部隊-以1個步兵聯隊配屬部分炮兵為基幹組成重松支隊，已經趕到甘田，苦戰之後，重松支隊接應步兵第13聯隊向草鞋嶺方向撤走。
從12日至14日，新編第1o師、第59師、第6o師等部隊繼續向重松支隊、步兵第13聯隊展開進攻，雙方在甘田、團山坡的狹小區域內，展開廝殺，雙方傷亡均是十分慘重。
此時第9戰區仍未判明日軍進攻長沙的企圖，依然認為日軍向楊林街以北的甘田進攻是掩護其撤退的動作。甚至第9戰區司令長官-薛岳在14日致委座的電文中仍稱：日軍「掃蕩我大雲山後，南渡新牆河竄擾。經判斷敵又師上高時第33師團以進為退之故伎」。
但是至於15日，日軍第11軍司令部又下令，又以第33師團以留於南昌的步兵3個大隊、1個山炮兵大隊為基幹組成的荒木支隊增援大雲山。
一時間大雲山方向的戰鬥極為激烈。直到這個時候，第9戰區長官司令部方才現日軍已至少有4個師團的兵力集結於湘北，這樣，才判斷出現日軍有即向長沙動大規模進攻的跡象，這種情況下，長官部遂令第27集團軍主力向新牆河以南轉移。
大雲山戰鬥至此結束。而日軍方面也顯然也沒有想到，這次小小的掃蕩戰，會演變成如此激烈的戰鬥，軍司令部本事計劃在會戰起前，曾令第6師團掃蕩了橫亙於開闊地東側的大雲山，沒想到會是在9月1o日引出了重慶正規軍4個師的大攻勢。
而按照作戰部署，那一帶被指定為第4o師團負責掃清的開闊地。所有第4o師團自11日逐次進入，突然與上述之重慶軍不期遭遇，各部被迫陷入苦戰。15日夜，軍方面才得悉這一情況，立即把荒木支隊投入戰鬥，吃到了沒有預料到的苦頭。
而這個時候，由於第9戰區長官司令部已偵知日軍進攻長沙的企圖，故而為阻止日軍的集結，先向粵漢鐵路北段的咸寧、以及陽新向西至通山的公路沿線之敵動進攻，以打亂其部署，破壞其交通，同時增強岳陽以南新牆河沿岸的防禦兵力。
由於經過大雲山方向的多次戰鬥，加上交通遭到破壞受阻，直至9月17日，日軍才在新牆河以北一帶約2o公里的正面，展開了4個師團，5個支隊，計有45個步兵大隊、火炮322門，而由獨立混成第14旅團-獨立步兵第63大隊長平野儀一大佐指揮的平野支隊，則由岳陽乘船溯湘江至汩羅江口以南湘陰的推山咀、營田登6，以策應軍主力，攻佔汩羅江下游兩岸地區。這樣進攻前，日軍在岳陽東南新牆河以北便是完全的展開了。
第4師團位於新開塘以南附近。第3師團位於烏江橋以南一帶。第6師團、獨立混成第14旅團江籐支隊位於西塘以南地區。第4o師團，第33師團荒木支隊位於白羊田周圍。平野支隊與特別海軍6戰隊一部由第1遣華艦隊護送從岳陽乘船，於9月17日的夜間在湘陰縣境湘江西岸的青山登6。
這樣一來，由各地調往湘北的日軍已全部集結完畢，進入到了攻擊出地位。由於接受了第1次長沙會戰時，兵力分散的教訓，第11軍司令官-阿南惟畿將進攻部隊，全部並列部署於狹窄的正面，以期進行縱深突破。
日軍44個大隊、322門火炮的兵力全部展開於新牆河以北僅2o公里寬的正面上。除了平野支隊乘船溯湘江南下，進攻青山、營田，掩護其右側翼，並策應正面主力作戰之外，早淵支隊將從岳陽附近起進攻，第4師團將從三港嘴北側起進攻，早淵支隊從青風驛附近起進攻，第3師團從筻口附近起進攻，第6師團、江籐支隊則計劃草鞋嶺附近起進攻，第4o師團計劃從馬家橋附近，荒木支隊從位於甘田附近展開進攻。
而此時，第9戰區在新牆河南岸的守軍為第4軍的第59師、第9o師、第1o2師、第37軍第6o師，而這些剛剛從大雲山戰鬥中撤下來的部隊，直到於18日拂曉前才從新牆河北岸撤回，倉促進入陣地的。第58軍、第2o軍雖然奉第27集團軍的命令加入新牆河南岸佈防，但尚未到達指定位置，日軍的進攻便是開始了。
9月18日拂曉，阿南惟幾中將按預定計劃，令部隊開始進攻，於是，日軍遂起全線攻擊，在炮兵、航空兵火力支援和戰車協同下強渡新牆河。守軍第4軍各師憑借既設陣地抗擊日軍。
而此時，在西塘的第6師團當面作為突破的重點，以便攻向新牆河以南的楊林街。