激战到1月3日，经过双方的反复争夺，长沙城依然屹立不倒，还在中国军队的手中。随着外围中国军队包围圈的形成，1月4日，日军决定全军后撤，避免遭到围歼。
中国军队看到日军向被溃逃的有利时机，第九战区司令长官薛岳决定调整战术，内线边外线，防御转进攻。由罗卓英指挥第26军、第4军、第73军担任追击部队，杨森指挥第20军、第50军为堵击部队，王陵基指挥第37军和第78军为东方截击军，傅仲芳指挥的99军和第140师为西方截击军，谋求对日军展开一场前所未有的歼灭战。
向北仓皇逃窜的日军在中国军队的四面围堵追击之下，因为连日作战也已经弹尽粮绝。其中以龟川联队为例，每门火炮仅剩3发炮弹，机枪子弹3-4链，步枪子弹每人10发左右，手榴弹每人仅一两枚。
而且这时候的老天爷也出来帮忙，从1月4日开始湖南北部下起了一场罕见的大雪，道路泥泞，让日军更加的行军困难。根据日本军曹回忆：“驾驭马匹的士兵, 由于在水田中行军, 个个变成了泥人, 不知多少次与伤患一同掉落泥田及沟渠之中。在寒冷之夜行军, 看到用马鞍用稻草当褥垫, 在行军或停止间,后马吃前马的稻草, 每当此时, 脚部受伤的伤患即发出尖叫。”
最终日军在付出了惨重代价之后，在汨罗江突围，并与1月14日退回到岳阳，临湘一线，第三次长沙会战结束。
根据战后第九战区的战报显示，日军被击毙3.39万余人，重伤2.3万余人，轻伤者难以计数。但日军在战报中却只承认死亡1591人，受伤4412人。日军的统计及不可信，因为根据俘虏的交代，仅日军第3师团第18联队，在战斗中几乎就全军覆没，最终仅存四五百人。不过面对失败日军还继续狡辩，第11军参谋长木下勇后在总结中辩称：“如果中日两军调换下位置，日军处在中国军队的位置，中国军队处在日军的位置，中国军队将无一幸免，必定遭到日军的全歼。”
