薛岳在总结前两次会战的经验基础上，正式提出了以“后退决战，争取外翼”为核心的战略战术体系即“天炉战法”。“天炉”指的是将兵力在作战地带，布成网状的据点，以伏击、诱击、侧击、尾击等方式，分段消耗敌军的兵力与士气，最后，敌军“拖”到决战地区，再采取围歼战术。
1941年12月下旬，阿南惟几又带着第十一军第三次进犯长沙。这一次日军依然采用中央突破的战术，集中优势兵力突击。这一次由于有了第二次作战的经验，薛岳在提出“天炉”战法时决定在长沙外围与敌决战，增加了战场纵深，并且暗中聚集优势兵力于侧翼，而且不像上次一样对日军进犯长沙毫无准备，第三次会战采取重兵严阵以待的态势。
一如既往，阿南惟几的突破速度十分迅速。12月24日，日军主力强渡新墙河；27日便突破汨罗江防线，31日夜已经攻抵长沙市郊，1942年元旦，日军就开始了对长沙的总攻击。
根据第十军第十师参谋长葛志先的说法，日军当时认为七十四军和第十军已经从长沙调往别处，长沙守军实力薄弱，适合一举击破。阿南本人也对战况十分乐观。
的确，国军计划中“20军务血战十日”的计划在2天内就告吹了，而面对的37军原计划“血战15天”看来也是不可能的。加上27日第3师团一部渡河成功的刺激，阿南本人已经把攻掠长沙视为理所当然。
不过很明显日军误判了形式，虽然强推很快，但这不过是薛岳的计谋而已。
第十军已然在长沙严阵以待日军的攻击。当时国民党第10军军长李玉堂戴罪守城，他浴血奋战以希一雪前耻。第十军的官兵在岳麓山的炮兵阵地的支援下，与敌搏杀四天四夜，终将猴子石、杨家山、五里牌、左家塘、军储库、修械所、留芳岭夺回，牢牢地守住了长沙核心阵地。但日军仗着精良的武器装备和大规模的兵力，向第十军进行更加疯狂地反扑，战争进入更加残酷的阶段。
第二天，城内守军与敌人展开了殊死搏斗，比如葛先才团与敌第40师团先后展开多次白刃拉锯战，全团生存者仅50余人，但仍然守住了阵地。岳麓山的炮兵阵地也与日军也展开了白热化的炮战，战场上血肉横飞、硝烟弥漫。就算如此，第十军的将士们凭着不畏牺牲的精神，遏制了日军的增援和推进，使敌一筹莫展。
蒋介石亦发电文为第十军的将士打气，“此次长沙会战之成败，全系我第十军能否长期固守长沙…….敌军悬军深入，后方断绝…….我第十军如能抱定与长沙共存亡之决心，定能摧破强敌，获得无上荣光”。
薛岳在战斗初始便命令罗卓英、王凌云两位战区副长官阻截并往两翼运动，只待反攻之时，断日军归路，阻击援军，力求全歼日军。比如第二十军激战至27日晚，完成了阻敌任务，薛岳令第二十七集团军全线撤退。随后，第二十军向梅仙、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；第五十八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。
中国军队终于迎来了反攻的机会，长沙作战如火如荼时，薛岳命令长沙守军反攻，并且命令外线待令各军也迂回到敌后，形成内外夹攻之势。这时候敌军猛然发现自己已身陷重围，日军方面急忙派遣池上旅团、青木师团南下增援。
但是已经太迟了，青木师团尖兵一大队兵力到达金井时，早已埋伏好的中国军队从东、西、北三方合围，青木师团无法突出重围。等到增援部队赶来，四百名日军只剩下二十名，几乎全军覆灭，大队长和两名中队长都被击毙，至于日军池上旅团，更是消息全无，已经被彻底困阻了无法前进。这时长沙守军收到长官部的通报：“第四军、第七十九军、第七十八军、第二十六军、第三十七军、第二十军和第五十八军已经到达指定位置，开始行动，日军后路已断。”阿南惟几不得已为了避免全军覆没，只得即刻命令部队撤退，但是薛岳没有给他这个机会。湘北地区国军展开了对第十一军的围追堵截，这个时候长沙的日军终于体会到什么叫炼狱，日军是前有兵堵，后有尾追，侧面也有打击。
到了1月15日，日军退至新墙河北原防地，16日时候，基本上恢复了会战开始前的态势，第11军指挥所也撤回汉口。第三次长沙会战以中国军队的胜利而结束，中国方面战报：国军伤亡28116人，毙伤日军56994人，俘虏13900人另夺得大量物资，这次战役被认为是抗战以来正面战场军事上的重大胜利。对这次胜利，美国总统罗斯福也说：“盟军的胜利，全赖华军长沙大捷”。
第三次长沙会战战后被俘的日军。
三战长沙，天炉战法的作用不言而喻。事后，第九战区司令部参谋处处长赵子立曾写道：“（指‘后退决战，争取外翼’）证之以后各役做的好，就好些，做的不好，战况就遭些。第一次和第三次都做到了，仗就打得好，反之第二次做的不那么好，损失就大一些，后来的（豫湘桂）会战没做到，那么就被打得一败涂地，长沙也被彻底占领了”。当年《天炉战》一书由此评价：“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》。”
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