由于大批日军回援宜昌，对长沙的攻势成了虎头蛇尾，虽然伤亡惨重，但战果却寥寥无几。唯一让阿南感到舒心的是他利用获取的中方密码，抓住了从江西赶来增援的上高战役老对手七十四军的行踪，用3个师团实施包围攻击，让其损失7000余人才突出重围。此时日军已孤军深入达150公里，弹药及兵力不支急剧突显。
于是战将薛岳立即调集预备队和各路援军对长沙之敌实施包围。激战中，中国军队“赵子龙师”一个团与日军一个大队遭遇，英勇的中国士兵用大刀与敌展开长达1小时的白刃格斗，让数百敌军全部成了无头鬼，大队长上原中佐被长刀钉在了大树上。10月初，发现形势不妙的阿南被迫下令突围撤退。10月中旬，日军退回原进攻出发阵地转入防御，中国军队全部收复失地恢复战前态势。
第二次长沙会战历时33天，日军攻占长沙的计划以伤亡4.8万余人彻底破产。日军上层对此次“加号作战”大加非议，在同年11月召开的南京作战检讨会上，阿南提出了长篇申诉，其中日全食的发生使士兵作战意志和战斗力下降是其申辩的重要理由。同年12月，阿南又对长沙发动了第三次进攻，同样以伤亡2万多人而惨遭失败。
