最先拉开序幕的倒不是长沙方向的作战，而是大陨石大云山地区的战斗，而这场作战虽然不是会战的正式开始，却也是之前的前奏曲，
位于新墙河以北数公里处的大云山，海拔不过960米，第9战区的将其作为重要前进阵地之一，山顶配置了第4军的1个加强营守备，而大云山的西侧则部署了第4军-柏辉章第102师的第306团，而紧接着山麓的东侧则为第58军-梁得奎新编第11师的1个营。
在战斗之前，由于日军已经开始大规模的季节，所以第4军、第58军等守军部队不断派出小股部队向日军后方渗透，展开袭击，破坏交通设施，迟缓日军进攻发起。
而这个时候，第11军司令部方面为准备实施‘加号作战’，掩护各作战兵团主力向新墙河以北集中，并能够得以隐蔽展开、占领较大的渡河地带，故而在9月初就命令原在岳阳地区担任守备的第6师团对大云山进行扫荡作战，解除这一侧后威胁。根据“为消除集结地域左翼的威胁，北由忠防、西由西塘攻向大云山一带第9战区的游击根据地”的命令，第6师团计划于依照命令于9月7日发起进攻。
9月7日晨，天刚亮，日军第6师团的步兵第23联队、步兵第45联队在航空兵支援下从忠坊向大云山北侧雁岭、詹家桥展开进攻。在遭守军阻击后，第6师团主力向东南方向展开迂回；其步兵第13联队则向大云山西侧进攻，与守军第102师发生激战。
而，位于平江的总司令部内.地第27集团军总司令-杨森，即令位于平江县城以北的南江桥地区的，孙渡第58军主力向西北、位于岳阳县城东南的关王桥一线进，掩护欧震第4军主力向北推进确保大云山地区，随之，各部即在该地与第6师团发生了更加激烈的交战。
然而在第27集团军发现原本控制.在鄂南咸宁地区的日军第40师团向湘北调动的情况之后，第27集团军总司令部却据此判断是与第6师团换防，而日军向大云山的进攻，只是寻常的换防前的例行攻势而已。
于是第27集团军总司令部在当.天下午18时左右，命令第4军确保大云山，同时命令第58军派出部队协同第4军作战，并以第20军准备从通城向西进攻，侧击日军，乘日军换防时给以打击。毫无疑问，这个命令显然是在没有意识到日军即将发起大规模进攻的前提下，所下达的。
次日开始，直至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，但终究因为日军无论是在兵力，还是在火力上，均处于优势，在付出惨重伤亡、依然无法组织日军进攻的前提下，守军第4军一部不得不弃守大云山。
然而砸9月10日，当日军第6师团长-神田正种中将认为.所部已完成扫荡任务，率部撤离大云山，向桃林方向集结的时候，该师团的步兵第13联队却在甘田、团山坡附近战线陷入胶着，步兵第13联队在被第4军队第102师、第59师所阻之后，已经陷于苦战。
同日，孙渡第58军克复大云山阵地，向大云山方向.增援的陈沛第37军以董煌师长的第60师为前锋部队，已到达大云山战场。这样在兵力占优势的情况下，第27集团军遂命第58军队新编第10师、第4军第59师、第37军第60师携手作战，包围并歼灭当面日军，定于次日拂晓开始全面攻击，一举消灭日军。
这个时候，第9战.区向所属部队下达了作战命令，位于修水（县）的第30集团军，以第72军（驻修水县以东的三都）于11日向以北的通山、楠林桥地区之敌发动进攻。
湘、鄂、赣边区挺进军由副总指挥王劲修率第4、第5、第8挺进纵队，进攻咸宁之敌，第6纵队攻向崇阳，破坏敌之交通和遮断其补给。
位于平江以西伍公市、栗山地区37军之第60师，向北开进至新墙河上游之杨林街布防，并归在该地的第4军指挥。
海军的布雷第2大队，在新墙河口以南的磊石山及湘江的虞公庙、乌龙嘴等处加紧布雷。
11日，正当这新编第10师、第59师、第60师与日军步兵第13联队激战之时，由咸宁西进的日军第40师团的先遣部队-以1个步兵联队配属部分炮兵为基干组成重松支队，已经赶到甘田，苦战之后，重松支队接应步兵第13联队向草鞋岭方向撤走。
从12日至14日，新编第10师、第59师、第60师等部队继续向重松支队、步兵第13联队展开进攻，双方在甘田、团山坡的狭小区域内，展开厮杀，双方伤亡均是十分惨重。
此时第9战区仍未判明日军进攻长沙的企图，依然认为日军向杨林街以北的甘田进攻是掩护其撤退的动作。甚至第9战区司令长官-薛岳在14日致委座的电文中仍称：日军“扫荡我大云山后，南渡新墙河窜扰。经判断敌又师上高时第33师团以进为退之故伎”。
但是至于15日，日军第11军司令部又下令，又以第33师团以留于南昌的步兵3个大队、1个山炮兵大队为基干组成的荒木支队增援大云山。
一时间大云山方向的战斗极为激烈。直到这个时候，第9战区长官司令部方才发现日军已至少有4个师团的兵力集结于湘北，这样，才判断出发现日军有即向长沙发动大规模进攻的迹象，这种情况下，长官部遂令第27集团军主力向新墙河以南转移。
大云山战斗至此结束。而日军方面也显然也没有想到，这次小小的扫荡战，会演变成如此激烈的战斗，军司令部本事计划在会战发起前，曾令第6师团扫荡了横亘于开阔地东侧的大云山，没想到会是在9月10日引出了重庆正规军4个师的大攻势。
而按照作战部署，那一带被指定为第40师团负责扫清的开阔地。所有第40师团自11日逐次进入，突然与上述之重庆军不期遭遇，各部被迫陷入苦战。15日夜，军方面才得悉这一情况，立即把荒木支队投入战斗，吃到了没有预料到的苦头。
而这个时候，由于第9战区长官司令部已侦知日军进攻长沙的企图，故而为阻止日军的集结，首先向粤汉铁路北段的咸宁、以及阳新向西至通山的公路沿线之敌发动进攻，以打乱其部署，破坏其交通，同时增强岳阳以南新墙河沿岸的防御兵力。
由于经过大云山方向的多次战斗，加上交通遭到破坏受阻，直至9月17日，日军才在新墙河以北一带约20公里的正面，展开了4个师团，5个支队，计有45个步兵大队、火炮322门，而由独立混成第14旅团-独立步兵第63大队长平野仪一大佐指挥的平野支队，则由岳阳乘船溯湘江至汩罗江口以南湘阴的推山咀、营田登陆，以策应军主力，攻占汩罗江下游两岸地区。这样进攻前，日军在岳阳东南新墙河以北便是完全的展开了。
第4师团位于新开塘以南附近。第3师团位于乌江桥以南一带。第6师团、独立混成第14旅团江藤支队位于西塘以南地区。第40师团，第33师团荒木支队位于白羊田周围。平野支队与特别海军陆战队一部由第1遣华舰队护送从岳阳乘船，于9月17日的夜间在湘阴县境湘江西岸的青山登陆。
这样一来，由各地调往湘北的日军已全部集结完毕，进入到了攻击出发地位。由于接受了第1次长沙会战时，兵力分散的教训，第11军司令官-阿南惟畿将进攻部队，全部并列部署于狭窄的正面，以期进行纵深突破。
日军44个大队、322门火炮的兵力全部展开于新墙河以北仅20公里宽的正面上。除了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之外，早渊支队将从岳阳附近发起进攻，第4师团将从三港嘴北侧发起进攻，早渊支队从青风驿附近发起进攻，第3师团从筻口附近发起进攻，第6师团、江藤支队则计划草鞋岭附近发起进攻，第40师团计划从马家桥附近，荒木支队从位于甘田附近展开进攻。
而此时，第9战区在新墙河南岸的守军为第4军的第59师、第90师、第102师、第37军第60师，而这些刚刚从大云山战斗中撤下来的部队，直到于18日拂晓前才从新墙河北岸撤回，仓促进入阵地的。第58军、第20军虽然奉第27集团军的命令加入新墙河南岸布防，但尚未到达指定位置，日军的进攻便是开始了。
9月18日拂晓，阿南惟几中将按预定计划，令部队开始进攻，于是，日军遂发起全线攻击，在炮兵、航空兵火力支援和战车协同下强渡新墙河。守军第4军各师凭借既设阵地抗击日军。
而此时，在西塘的第6师团当面作为突破的重点，以便攻向新墙河以南的杨林街。