广州、武汉相继陷落后，粤汉间的湖南成为日本侵略者攻击的主要目标。日军在两次攻占长沙均未得逞的情况下，于1941年12月23日，又以第40师团主力发动了第三次对长沙的进攻。薛岳总结前两次会战的经验教训，提出了一套利用湘北复杂地形，与日军决战的“天炉战法”。日军先乘大雨和夜色突破了中国军队前沿阵地，渡过新墙河，扑向汨罗江北，并与沿粤汉线南下的日军第3师团会合后，很快攻至汨罗江南岸，进入中国军队预设之决战区域。薛岳向所部官兵下达手令：“第三次长沙会战，关系国家存亡。岳抱必死决心、必胜信念。”他要求“各集团军总司令、军、师长，务必确实掌握部队，亲往前线指挥，适时捕捉战机，歼灭敌军”。
日军第3师团在飞机支援下向长沙东南阿弥岭等中方阵地发起了进攻。薛岳下令第10军李玉堂布下巷战阵势，守卫长沙市区。双方在长沙东南郊展开激战，拼死争夺，几乎所有据点都反复易手。日军的攻势受挫。为了加强长沙防守和反击力量，薛岳又调第77师进入长沙预备作战。与此同时，他部署外围的中国各军由远处向长沙逼近。当日军看到被中国内外线兵团包围的危险准备撤退时，薛岳即命令各部队从不同方向对日军展开围追堵截。日军且战且退，损失惨重。薛岳指挥中国军队利用湘北山丘河流交错纵横的复杂地形，继续以各种方式追击，使日军处处挨打。第三次长沙会战取得大捷。整个战役共歼灭日军5万多人，沉重打击了日本侵略者的嚣张气焰。
