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大云山战斗是这次会战前奏，虽不是会战正式开始，却持续了十天，发展到相当大规模。大云山位于新墙河以北数公里处，是第九战区的重要前进阵地之一，山顶由第4军一个加强营守备，其西侧为第4军第102师第306团，东侧为第58军新编第11师的一个步兵营。
会战前，守军不断派出小部队向日军后方袭击，破坏其交通设施。
日军第11军为准备会战，掩护主力向新墙河以北集中并隐蔽展开、占领较大的渡河地带，命令原在岳阳守备的第6师团，对大云山进行扫荡，解除其侧后威胁。
9月7日晨，第6师团第23、第45联队在航空兵支援下，向大云山北侧进攻，遭到守军阻击后向东南侧迂回；其第13联队向大云山西侧进攻，与守军第102师发生激战。8日至9日，日军第6师团主力继续向大云山东侧猛攻，守军虽奋力抵抗，但在日军强大火力猛攻下，阻击无效，即弃守大云山。
10日，第6师团主力完成扫荡任务，撤离大云山，向桃林方向集结，其第13联队则在甘田、团山坡附近被中国第102师和第59师一部所阻，陷于苦战。
同日，中国第58师收复大云山阵地，向大云山增援的第37军第60师也到达战场，第27集团军遂令新编第10师、第59师、第60师围歼当面日军，定于次日拂晓开始攻击。
11日，正当这三个师与第13联队激战时，由咸宁西进的日军第40师团重松支队赶到甘田，接应第13联队向草鞋岭撤走。12日至14日，中**队继续向重松支队进攻，双方在甘田、团山坡的狭小区域内互相争夺，伤亡均重。
15日，日军又令荒木支队增援，战斗极为激烈。
这时第九战区发现日军已有四个师团以上兵力集结于湘北，日军即有向长沙发动大规模进攻的迹象，遂令第27集团军主力向新墙河以南转移，大云山战斗至此结束。
9月17日，日军调往湘北的部队已全部集结完毕，进入进攻出发地。
第11军新任司令官阿南惟畿召开司令部人员会议，说明作战意图。
他说：“这次作战行动代号为‘加号作战’。上一次长沙作战之所以没有取得较大战果，原因在于兵力分配得过于分散，没有突出主攻方向，因而形不成强大的冲击力和杀伤力。
这次作战，我决定将进攻部队部署于狭窄的正面，以期进行纵深突破。我军44个大队及322门火炮并列展开于新墙河以北仅20公里宽的正面上，以形成强大而不可阻挡的冲击力和杀伤力，一举突破敌军第一线阵地。仅派平野支队乘船溯湘江南下，进攻青山、营田，掩护其右侧翼，并策应正面主力作战。并将留在赣北和鄂南的兵力全部摆在湘北正面战场。”
“啊！”有人不由自主地惊呼一声。
阿南惟畿继续说：“作战风格是由指挥员性格决定的，显然我和冈村君风格是不同的。大本营大陆令第538号命令：中国派遣军总司令为完成当前任务，在华中方面可暂时超越规定的作战地区进行作战。”
阿南顿了顿又说，“各部队进攻出发位置是：平野支队位于岳阳附近；第4师团位于三港嘴北侧；第26旅团（早渊支队）位于青凤驿附近；第3师团位于筻口附近；第6师团、江藤支队位于草鞋岭附近；第40师团位于马家桥附近；荒木支队位于甘田附近。”
第九战区在新墙河南岸的守军是：第4军第59、第102、第90师及第37军第60师，大都是经过大云山战斗，于18日拂晓前，才从新墙河北岸撤回而仓促进入阵地的。第58军、第20军奉命加入新墙河南岸布防，尚未到达指定位置。
9月18日拂晓，日军发动全线攻击，在炮、空火力支持和战车协同下强渡新墙河。
第4军各师凭借既设阵地抗击日军。第102师正面抗击日军第3、第4、第6师团的集中攻击，战斗尤为激烈。数小时后，日军渡河成功，先后突破第102师和第90师防线，而59师防线也岌岌可危。
原定坚守三天的第一线阵地，想不到不到半天竟被日军突破，新墙河失守。薛岳无奈，只得下令第4军和第37军第60师，即转入长湖东、西第二线阵地，继续抵抗。