太平洋战争爆发后，当日，驻广州的日军第二十三军开始进攻英军占领下的香江。12月9日，中国国民政府才正式对日宣战，命令各战区对当面日军发动攻击，以策应英军在香港的作战，并从第九战区抽调第四军和第七十四军南下增援。在日军第十一军的主动请战下，日军大本营决定先发制人，进攻湘北，以牵制第九战区兵力南下，由此拉开了第三次长沙会战的帷幕。
第二次长沙会战，国军惨败。为总结经验教训，第九战区长官吉星在长沙召开了战区高级军官会议，研究防御作战的有关问题。会上，吉星特别指出：
“战胜敌人主要是依靠平时的周密准备和军民一体的旺盛的士气。在会上，他又提出了如下战术构想：在敌深入湘北内地的两侧及正面，部署重兵；当敌前进到浏阳河一带兵力已经分散时，正面进行反攻和追击；在东部山区及西部湘江沿岸的部队则进行侧击、包围。这一战术就是吉星创立的“天炉战法”。
会战中，吉星一面令第20军向斜后移动，一面令第58军进入阵地，与第20军互相配合，协力迎击日军，双方在汨罗江北岸又一次展开了激烈的拉锯战。
当时，雪越下越大，气温也越来越低，而守军许多士兵连棉裤都没有，有的竟被冻死在战壕内。但活着的士兵，仍坚守阵地，没有贪生怕死之辈。
守卫傅家桥据点的第20军第398团第2营营长王超奎少校及其部属，面对日军猛烈的炮火，毫不畏惧，打退了日军一次次的冲锋。后王超奎为掩护部属突围，在与日军肉搏中不幸殉国。守卫洪桥据点的第398团第3营一部，在副营长、连长相继阵亡的情况下，仍坚守阵地。
第397团全团官兵在黄沙街硬是顶住了日军第6师团整个师团的进攻，并迫使其绕道而行。激战至27日晚，第20军完成了阻敌任务，薛岳令第27集团军全线撤退。随后，第20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58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。
丰岛和神田指望青木师团快速开到长沙增援，可是青木师团的先头部队进抵金井时，被中国守军的外围部队从东、西、北三方合围，无法突出。等到增援部队赶来，四百名日军只剩下二十名，几乎是全军覆灭，大队长和两名中队长都被击毙。
日军池之上旅团，更是没有消息。丰岛和神田到了山穷水尽的地步，到了晚上，前方的枪声由紧密而稀疏，最后沉寂。半夜，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。”
这样的局面，阿南惟畿在军伍生涯中还是第一次面对。他不甘心，但他不得不发布撤退的命令。
1月7日，日军青木师团好不容易现了踪影，他们一路留下尸体，艰难地到达春华山一带，企图接应北撤的丰岛师团和神田师团。
这时，中国第九战区的部队，从东南面、东面、东北面、西北面和西面对长沙的日军发起向心攻击，实施合围。前有兵堵，后有尾追，侧面也有打击。第三次长沙会战，终于到了熔炉升到最高温度的时候——聚歼日军。
日军饥疲交加，伤亡惨重。到15日，日军退过新墙河，固守原地。第九战区担任尾追的各军追到新墙河以南，还有一支部队向新墙河以北追击。湘北地区也成了烧烤侵略军的熔炉。中国军队的激情，洋溢在湘北战场。
这一次长沙会战取得胜利，使蒋瑞元在黄山别墅周围的阴霾中感到了暖意。他轻松地笑着说：
“此次长沙会战，实为‘七七’事变以来最确实而得意之作。”
吉星得到了最高奖赏——青天白日勋章。罗斯福总统也奖给他一枚独立勋章。
英国《泰晤士报》评价道：“12月7日以来，同盟军唯一的决定性胜利就是华军之长沙大捷。”
长沙会战进入尾声的时候，在1月15日，日本对荷兰皇家政府宣战，向荷属婆罗洲东海岸的石油城塔拉坎发动进攻。二十四小时后，日本海军和伞兵又向西里伯斯发动联合进攻，荷兰士兵尽全力反击。
第九战区制定的作战方针是诱敌深入后退决战，敌进犯时，以一部兵力由第一线开始逐次抵抗，随时保持中国军队于外线，俟敌进入我约定决战地区时，以全力开始总反攻，保卫敌军而歼灭之。各兵团任务如下：赣中、高安方面守军当昌南之敌沿湘赣公路进犯时营利用现阵地拒止敌人；继应保持袋形态势向上高附近进行逐次抵抗，以消耗和迟滞敌军；尔后依该地区控制部队之参加，重点保持于上高东南，反攻敌军而歼灭之。赣北挺进部队于敌进攻开始后，应向德安-南昌线，德安-安义线不断攻袭破坏。
修水方面守军当武宁方面之敌，经修水、铜鼓进犯时，应利用现阵地拒止敌人；继应保持袋形态势，向铜鼓附近进行逐次抵抗，以消耗和迟滞敌军；尔后依该地区控制部队之参加，重点保持于铜鼓东南，反攻敌军而歼灭之。当通城、崇阳方面日军经白沙岭——长寿街进犯时，九湖山、幕阜山地区挺进部队应呃险阻止敌人，尔后保持袋形态势，向嘉义附近进行逐次抵抗，以消耗和迟滞敌军；南茶、九宫山地区全部挺进部队应迅速向长寿街方向前进，由东向西进攻敌军左侧背。梅仙、平江以东部队，必要时应以一部由西向东进攻敌军右侧背。
湘北守军、战区守军主力转移方向为高桥、路口畲；战区直辖各军待命由田心、跃龙市、永安以东地区，向长沙以东、以南攻击。
对比日军方案，第九战区对日军兵力估计较大，对日军目标判断也有失误。好在这两个失误都没有很大影响，尤其是后者：日军直到发动攻势时自己都不知道自己的目标，至于国军事后所云策援英美作战云云，就完全属于可以理解的事后诸葛亮了。
在古代，有这么一句话是来形容著名的抗金英雄岳飞和他的岳家军，叫“憾山易，憾岳家军难！”。但是在近代这句话又被演绎成为“撼山易，撼吉将军难！”以此来形容有“中国战神”和“长沙之虎”之称的抗日名将吉星将军。而给他这句话称号的人正是侵华日军的总头子冈村宁次。
当日军卷土重来时，日军第11军司令官阿南惟几指挥四个师团﹑两个支队和航空兵﹑海军各一部﹐约12万人向长沙进犯。而吉星指挥40个师，50余万人进行抗击。此战中国名党军损失巨大，日军也一度攻进了长沙，不过在后期吉星集中优势兵力的打击下，日军又被迫退出了长沙。
吉星的天炉战法，是一种“后退决战”的战术。“天炉”是将兵力在作战带，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，把敌军“拖”到决战地区，再狠狠的围歼之。
就是在第三次长沙会战中，吉星用此战法造成了日军成军以来大规模会战的惨败记录。吉星也靠此战一战成名，被日本人称之为“长沙之虎”，使得日军数年内不敢再进攻长沙。
总体而言，惊天地、泣鬼神的长沙会战堪称抗战期间中中日双方出动兵力最多，也是规模最大、历时最长的一次大会战。这场震惊世界的会战前三次以中国军队的大获全胜而告结束，日军受到中国军队的沉重打击共伤亡10.7万人。
吉星也因此被称为歼灭日军人数最多的抗战名将。