日本大本營制訂的「一號作戰」計畫，主要核心部分是第二階段的戰役，其作戰區域在湖南地區。負責這一階段的是日軍第11軍。這個軍是日本投放在中國戰場上唯一的一支野戰軍，它下轄8個師團又1個旅團。為了保障有足夠的兵力實現「一號作戰」第二階段的任務，日軍大本營又從其他地區抽調過來兩個步兵師團和4個旅團、戰車第3聯隊、炮兵4個大隊，使第11軍的總兵力達到近20萬人。這在日軍歷史上是絕無僅有的規模，一個軍的編製，幾乎達到方面軍的數量。
日本大本營之所以加強第11軍的力量配置，是有所考慮的。長沙位於湘水下游，在洞庭湖濱平地之南，處在粵漢鐵路與京滇國道之交會點上。
湘贛、湘黔、湘桂鐵路橫貫其南，因地勢低洼，歷來不為兵家所重視。然而在中國持久抗戰的戰略中，湖南成為抗戰糧食、兵源及工業資源的供給地，對中國抗戰前途至關重要，成為中南地區的戰略重鎮。
另外，抗戰以來，中國軍隊在這裡已經同日軍進行了三次大會戰。從地理概貌上看，長江以北為濱湖沖積帶，地勢平坦，雖非擅戰之地，但其東有幕府、萬洋諸山，西倚雪峰山，對長沙成掎角之勢，可實行截擊、側擊；正面有新牆河、汨羅河、撈刀河、瀏陽河，可實行持久抵抗，整個地形成天然囊形陣地。由此，中國軍隊根據地形特點，採取節節抵抗、消耗敵人，後退決戰的戰略。正是依據這樣的戰略，中國軍隊在前兩次會戰中與日軍打了平手，保住了長沙。
1941年底，中日軍隊又在此進行第三次會戰。第九戰區司令長官薛岳，根據前兩次會戰的經驗，制定了名為「天爐戰法」的誘剿戰略，致使日軍傷亡56000多人，其驕人戰績使國際震驚。
薛岳的「天爐戰法」是根據長沙地區的地形特點發明的，其主要特徵是：在後退時破壞中間道路，實行堅壁清野；在伏擊地區縱深配置兵力，將日軍誘至長沙城下，以改變敵我力量的對比，最後從四面包圍日軍猶如天爐熔鐵一般殲敵。這個戰法實際上同八路軍的誘敵深入，集中優勢兵力，分割圍殲很相似。在第三次長沙會戰中，日本鬼子吃了大虧。
執行「一號作戰」第二階段的日軍將領，是第11軍司令官橫山勇中將。他在進攻之前，反覆研究過去三次長沙會戰失敗的原因。橫山勇中將熟讀兵書，善於總結戰場經驗。他從地圖、沙盤模型的研究上，總結了薛岳將軍的戰略思想和作戰特點，仔細分析了薛岳的個性和生活喜好，並在此基礎上制定了對付「天爐戰法」的作戰方案。
橫山勇中將不上薛岳的當，他將兵力分為兩個梯隊前後出擊，波浪式交替攻擊與推進，既保證了攻擊的連續性，又保障了後勤補給的安全。前隊即使深入進去，後隊也可馳援，保持兵力不處於劣勢，這樣就可以側擊和夾擊破壞交通線的中國軍隊。
讓薛岳意想不到的是，狡猾的橫山勇中將，在日軍進攻部隊的兩翼，又部署有戰鬥力很強的精銳部隊，這變成了專門對付薛岳縱深伏兵的殺手鐧。這樣一來，中國軍隊在兩翼山嶽叢林的機動兵團，便處在被夾擊的狀態中，喪失了外線機動兵團的作用，日軍就可掌握戰場的主動權。
經過橫山勇精心策劃部署，同僚們都佩服得五體投地。他狂妄地叫嚷著：「兩翼夾擊，波浪式推進，一定要砸碎薛岳的天爐！」日本大軍在橫山勇中將的率領下，分兵三路向第九戰區進發了。左路軍從崇陽縣沿湘贛邊境的山嶽地帶向南猛插；中路軍從岳陽地區突破國民黨第20軍防線直撲長沙；右路軍從洞庭湖水域向南進攻。各路大軍都配備有強大的二線兵團。
蔣介石清醒了，他十分明白，日軍在平漢線作戰結束後，便會立即著手進行第二階段的作戰。湘桂作戰首先是長沙、衡陽，其次是桂林、柳州，而長衡會戰是日軍作戰的關鍵。於是，蔣介石也加緊向第九戰區增兵。他希望薛岳能積三戰之餘威，在湖南戰場扼制住日軍的攻勢。蔣介石和宋美齡在天主教堂，為長沙薛岳祈禱，願上帝保佑長沙平安，最好能取得大捷，以雪中原之恥。
在第三戰區、第四戰區和第六戰區的支持配合下，第九戰區集結了國民黨軍的40萬精銳部隊。然而在兵力部署上，將領們卻發生了分歧，以第九戰區代理參謀長趙子立為首的一方認為，此次日軍進攻規模空前，加上有三戰長沙得失的教訓，這次應該採取新的戰法，不能再沿用過去的「天爐戰法」了。
第九戰區司令長官薛岳因取得三次長沙會戰的勝利，在實戰中他的「天爐戰法」殲敵56000多日軍，所以他很驕傲，沒把橫山勇這個鬼子軍官放在眼裡，顯得十分輕敵。代理參謀長趙子立在一旁卻看得很清楚。
薛岳一派的將領們認為，這次日軍雖屬於大兵團作戰，但並不是像你們說得那麼嚇人，根本達不到什麼「規模空前」。對敵人的這個判斷，完全是被河南會戰的失敗嚇倒了，不信你們等著瞧，看看小鬼子能把長沙怎麼樣？
趙子立他們以理據爭，但是沒有用，畢竟薛岳的「天爐戰法」是經過戰場檢驗的，是戰勝日軍的好戰法。趙子立認為，正是因為這樣，橫山勇必定對此作了認真仔細的研究，很可能有了破解之法，否則這個老奸巨猾的橫山勇不會這麼膽大妄為。
薛岳聽了代理參謀長趙子立的理論，哈哈大笑，他說能看懂「天爐戰法」里的道道的人還沒出生，即使看懂些眉目，也難去破解，這個戰法本身就是一道無解的題。況且長沙地區有40萬大軍，日本軍隊的進攻，就是洪水猛獸，堵都把他們給堵死嘍。古話說，兵來將擋，水來土掩，一定會將日軍消滅在長沙城下。
蔣介石支持薛岳的會戰方案，因此這次戰役部署仍按照「天爐戰法」
的計畫進行。在日軍大舉進攻的第二天，蔣介石電令薛岳「以現有兵力，準備在長沙附近與南犯日軍進行決戰」。
薛岳在嶽麓山指揮部向蔣總司令彙報說：「在這樣的環境中作戰，他日本鬼子縱有千變萬化，也逃不脫『天爐戰法』的天羅地網。以長沙守軍吸引日軍主力，再以外圍部隊對之實行反包圍，最后里應外合將日軍消滅在長沙外圍。」蔣介石大喜：「好樣的，祝你旗開得勝！」
戰場情況千變萬化，日軍沒有薛岳想像得那麼傻。5月29日，戰場情況突變，國民黨第20軍在吸引中路日軍朝通城、平江一帶深入時，忽然發現自己的左側有日軍的左路軍，他們正從後側包抄過來。20軍面臨危機！
正在最困難的時候，日軍右路軍穿過湖泊障礙，在營田登陸，一時間汨羅江以北到處都是日軍，原計畫的中國外圍守軍反被日軍分割包圍。
薛岳傻眼了，他的作戰部署頓時被橫山勇將軍全盤打亂，湘北戰場的局面已經難以控制。蔣介石急忙電令第三戰區、第六戰區各抽調一個軍參戰，並訓令第九戰區將士：「此次作戰，為國家存亡之關鍵，亦即我革命軍人成功立業之時機，務望同心同德，上下一致，爭取最後勝利。」
當湘桂戰役處在水深火熱之時，美國總統和滇緬戰役總指揮史迪威，不斷來電催促蔣介石下令進攻緬甸，他們對中國大陸的東線戰場毫不為意，只顧自己的利益。美國總統羅斯福根本就不考慮中國當前的危難境地，如果中國遠征軍不入緬作戰，就扣發租借物資。這大大刺傷了蔣介石的民族自尊心，但是實力弱小，他是敢怒不敢言。
蔣介石在日記中寫下這樣一段話：
國無實力，而藉助於人之痛苦，竟如是耶！可不力圖自強乎！……患難危急之來，唯有在己者可恃，而在人者尤其外援更不可靠也。若有絲毫依賴之心也不僅無補於事，而且成為他人之奴隸矣！此時徐求其在我，力圖自強以外，絕無其他挽救之道。
蔣介石的指導思想，抗戰至此已不需要「冒險犯難」，而是「耐得久的得勝」，一定要忍，而除了忍之外並無他法可以徐圖自強。這是蔣介石的悲哀，他不像共產黨人，更不如共產黨人的領袖毛澤東。毛澤東在患難危急之時，具有堅定的中華民族氣魄，獨立自主，自強不息。
盟國的壓力，河南會戰的失利，湘桂作戰前途未卜，蔣介石已經到了內外交困之際。正因為如此，他對滇西遠征軍的行動寄予厚望。他對遠征軍司令長官衛立煌發電報說：「此次渡江出擊之勝負，實關乎我抗戰全局之成敗，國家存亡，主義成敗，都在於此一舉，務希吾弟奮力出征，完成使命。」
焦頭爛額的蔣介石，不得不打起精神來對付長沙的情況。王耀武的第24集團軍過去了，該部的先頭部隊第100軍抵達益陽時，守軍因傷亡過半而棄城退卻了。第100軍隨即發起攻擊，收復益陽。74軍是當時中國軍隊的頭號王牌，這支部隊的第58師師長，是日後的軍長張靈甫。他們堅守在寧鄉，負責掩護長沙的側背，師主力部署在溈水南岸，守備寧鄉縣城的是第173團和174團的一個營，還有師部擊炮營的一個連。
在這裡不得不說說國民黨最有傳奇色彩的張靈甫將軍，