5日，日軍攻佔沙洋，6日佔荊門、十里鋪、十回橋。8日，日軍佔領遠安、河溶、江陵、沙市，主力展開於荊門、十里鋪、江陵之線。9日開始，在航空兵直接支援下，向守軍主陣地進攻。午後，右翼陣地被突破，當夜退守宜昌外圍陣地。日軍繼續進攻。激戰至12日16時，宜昌失守。日軍第11軍原定在攻佔宜昌後，各部隊即返回駐地。佔領宜昌的當晚，園部和一郎即令從速整理態勢，作撤退的準備。6月15日，下令撤退，16日全部撤出。第五戰區第18軍當即收復宜昌。日本大本營受歐洲德國佔領巴黎和義大利宣布對英、法作戰的影響，為進一步加強對重慶的威脅，不顧兵力不足，又命中國派遣軍確保宜昌。17日12時許，日軍第13師團又攻人宜昌。此時，大洪山地區的日軍第40師團已被第29集團軍包圍，激戰6日夜，傷亡極重，師團長天谷直次郎負傷，糧食，彈藥全靠空投。園部和一郎因無機動部隊可以增援，只好令第40師團自身組織突圍。6月21日，突出包圍圈，到達鍾祥以北漢水東岸。至此，會戰結束。
此次會戰，日軍雖佔領了宜昌，但未能擊潰第五戰區的主力，而且遭到重創，傷亡1.1萬餘人。兵2個中隊、工兵1個中隊，另配屬戰車1個聯隊、工兵1個聯隊、野戰重炮兵1個大隊又1個中隊、山炮兵和機關機各1個大隊，汽車1個中隊）由通城東南的鯉港沿湘贛邊境山地，經南樓嶺、福石嶺向平江以東進攻；第106師團（中井良大郎，欠步兵4個大隊，野炮兵2個中隊，另配屬第101師團第102旅團4個大隊、野炮兵及迫擊炮各1個大隊渡江工兵1個聯隊、4個汽車中隊）由奉新地區先向高安地區進攻，擊潰該地守軍後，轉向北進，主力進攻修水，一部進攻武寧，以摧毀九嶺地區抗日根據地，策應軍主力向長沙以北進攻；陸軍航空兵第3飛行團（營原道大，偵察機1個中隊、1個戰隊，戰鬥機、輕轟炸機各1個戰隊）重點支援2個主力師團作戰；海軍第13炮艇隊（高間完，配屬陸戰隊及部分航空兵）主要掩護第5旅團溯湘江進攻和登陸。
武漢失守後，湖北長江以北和湖南、江西西部，為第九戰區防區。軍事委員會賦予的任務是：保衛湘贛，尤以長沙附近要域。作戰方針是：湘北方面，利用既設陣地，逐次抵抗，換取時間，消耗敵人，敵加進至第二線陣地（平江亘淚羅江之線），則以幕府山為根據地，猛襲敵之側背；萬一進逼長沙，以頂伏長沙附近及其以東地區的部隊夾擊之。贛北方面，以游擊戰牽制消耗敵人，萬安方面應縱深配備，如敵攻高安，則放棄高安，誘敵深入而側擊之。1939年9月上旬，第九戰區得悉日軍向湘北，鄂南集結兵力，判斷其有進攻長沙之可能，遂根據作戰方針，制訂了作戰指導大綱。其主要內容是：湘北方面這次抵抗，誘敵至長沙附近包圍殲滅之；贛北及鄂南方面，以側擊或圍攻擊破敵人，以利於主力方面之作戰。此時，第九戰區共有47個師、3個挺進縱隊。其兵力部署是：第19集團軍（羅卓英，4個師）位於贛江西、浙贛路北之松棚街、高安、新喻地域；第1集團軍（盧漢，4個師）位於蓮花山、橋下、江家州地域；第30集團軍（王陵基，4個師）位於瑟琶山、蒲田橋，梁門地域；第27集團軍（楊森、4個師）位於修水、桃花港、青梅灣地隊域；主要防禦方向上的第15集團軍（關麟徵，8個師）位於粵漢路西側、新牆河以南、長沙以北、幕阜山區及淚羅江兩岸，麥市、新牆、鹿角（第一線陣地）、新街、汨羅、營田（第二線陣地）及福臨鋪、湘陰地域；第20集團軍（商震、霍揆章，6個師）位於長江以南、洞庭湖以西石首、常德、寧鄉地域；湘、鄂、贛邊區挺進軍（樊崧甫，2個帥、2個挺進縱隊）在德安、大冶、陽新附近游擊；總預備隊（15個師）分別隼結于衡陽、湘潭、長沙、上高等地區。第九戰區司令長官（薛岳）司令部，位於長沙。由於盧漢有病，羅卓英統一指揮第1、第19集團軍。
日軍第11軍司令官岡村寧次於9月13日下達作戰命令。主要內容是：為隱蔽主攻方向，迷惑、牽制中國軍隊，命左側翼之第106師團，9月15日先開始進攻，由奉新以西突破守軍第1、竿19集團軍左翼陣地，迸出至其側後，殲滅守軍於高安西北地區；命右側翼之第5旅團，9月23日拂曉在營田登陸；命軍主力於9月23日拂曉發起進攻，向舊水上游平江地區攻擊前進，以殲滅該地區守軍第15集團軍，主力各部隊的行動為：第6師團由新牆鎮以西向汨水南高地突進；第26旅團由楊林街以西向悟口、汨水北岸突進；第33師團由通城向麥市、渣津突進。
1939年9月15日，贛西方面日軍第106師團先發起進攻；其第102旅團從高安東北之大城鎮向祥符觀第32軍陣地作牽制性進攻；其主力從會埠地區突破守軍第60軍陣地後，向第1、第19集團軍陣地後方迂迴。兩集團軍被迫後撤。18日，第32軍放棄高安，退至錦江南岸。日軍第106師團主力與第102旅團在高安會合後，於21日放棄高安，第102旅團返回大城鎮，第106師團主力轉向修水方向進攻，25日進至甘坊以西地區。湘北方面日軍右翼第5旅團及海軍陸戰隊，9月23日由洞庭湖向守軍第15集團軍左翼實施水上包圍，當日在營田登陸，沿汨羅江南岸向東進擊，25日攻佔歸義，日軍主攻方向的第6師團、第26旅團，於23日拂曉強渡新牆河，分別由新牆、楊林街突破守軍第52軍陣地；第33師團亦於當日由麥市突破守軍弟79軍陣地。24日，薛岳下令命第15集團軍以一部兵力在新牆河、汨羅江間阻擊日軍，主力退至淚羅江第二陣地。日軍突破第一線陣地後，不顧突破口以外陣地的中國守軍，迅速向南急進，企圖到達汨水之線，切斷守軍退路進行圍殲。25日，第6師團及第26旅團到達汨羅江北岸及平江西之悟口；第33師團遭守軍第79軍依據山地的堅強抗擊、被阻於麥市南約10公里之桃樹港。激戰至26日，蔣介石決心與日軍在長沙附近進行決戰，遂電令薛岳：「準備以6個師兵力，位置於長沙附近，並親自指揮，乘敵突入長沙之際，側擊而殲滅之。」但日軍之戰役企圖，並非進攻長沙，目的在於擊殲中國軍隊、特別是第15集團軍的主力。戰鬥至27日時，日軍第6師團、第5旅團進至福臨鋪以北地區、第26旅團、第33師團及第106師團，在守軍堅強抗擊、反擊下、被阻於長樂街龍門廠和黃沙橋附近。兵力相當分散，且未能尋殲到中國軍隊的主力，恐繼續深入陷入重圍，岡村寧次遂決定停止前進，令第26旅團向東轉進，策應第33師團。至30日，第6師團一部兵力前出至撈刀河北岸，第26旅團與第33師團在三眼橋會合，第106師團則在九嶺山區內遭到第19集團軍的強烈反擊，陷於苦戰中。岡村寧次察覺態勢不利，下令全線撤退，命令說：「華軍頑強，現仍潛伏干汨水、修河兩岸地區。本軍為避免不利態勢，應速向原陣地轉進，以圖戰鬥力之恢複，並應嚴密防備畢軍之追擊。」10月1日，日軍開始撤退。2日，中國軍隊發現日軍撤退，薛岳立即下達命令，要求各部隊，「以現在態勢立向當面之敵猛烈追擊，務於崇陽、岳陽以南地區捕捉之」，「對敵之收容部隊，可派一部監視、掃蕩之，主力力行超越追擊」。各部隊因恐日軍是佯退誘敵，故雖接到「超越追擊」之命令，並未執行，僅尾追日軍、收復失地。至10月10日，中日雙方又恢複了會戰前的態勢。
此次會戰，日軍在進攻與撤退行動中，不論在主攻方向粵漢路方面，還是助攻方向九嶺山區方面，均遭到中國軍隊的堅強阻擊、側擊和追擊，敵後游擊挺進軍，亦不斷襲擊其後方，日軍遭到很大損失，並未能實現其圍殲守軍主力於湘贛地區的戰役企圖。參加會戰的兵力，日軍約10萬人；第九戰區32個師又3個挺進縱隊，約30餘萬人。日軍傷亡3550人，中國軍隊傷亡及失蹤約3萬人。
第一次長沙會戰，日軍損耗了大量人員、裝備，並未能達到殲滅中國軍隊主力、摧毀其繼續抗戰之意志的戰略企圖，而中國軍隊雖然在損耗上較日軍嚴重，卻保存了主力，又未喪失空間，在20餘天的戰鬥中，以陣地防禦與運動側擊及游擊襲擾相結合的戰法，予敵以相當損耗，是基本符合「消耗持久戰」的戰略方針的，在此意義上，應該視為是一次勝利的戰役。特別在精神方面的影響，尤為積極，通過會戰，使中國軍隊確實認識到，日軍兵力不足，己無力發動武漢會戰以前那種大規模的進攻，加強了抗戰必勝的信心，提高了廣大官兵的士氣。日軍第11軍司令官岡村寧次也認識到這一點。他在會戰後給中國派遣軍總司令官西尾壽造的意見書中認為，這次會戰，既未能擊殲中國軍隊主力，又未能攻佔長沙即撤退軍隊，「恢複軍原態勢，此不啻號召敵人反擊，對其作戰軍予以鼓勵，努力於提高其士氣」。事實正是如此。12月間，中國軍隊即發動冬季攻勢，各戰區同時進攻本戰區內的日軍，予侵華日軍以一定程度的打擊。