阿南惟几认为此次作战，必须将日军重兵的师团集结在一起，互相相隔不超过半日的路程，一同进攻。一旦遭遇国军主力的顽强抵抗，立即用几个师团进行猛烈夹击，一个个重创国军的部队，最终导致第九战区主力被全歼，防御阵线完全崩溃。
在这种思想下，1941年9月7 日军第6师团果真进攻大云山。驻守大云山的是第四军主力。8日日军攻占大云山，但国军趁第6、40师团换防时发动反攻，收复大云山，重创了第6师团第13联队、第40师团重松支队。
探知到日军集结的兵力十多万。薛岳心里犯起了嘀咕，日军集结这么多的兵力，不可能只为一个大云山。战情分析中，李振华明确日军会集中10一13万兵力，第一步会进攻大云山，那第二步呢？是不是真的会像战情分析中分析的那样重兵正面突破，薛岳调了大云山一部分力量回防新墙河。并致电74军做好准备从万载前往湘北。
日军这次确实是将主力并列于狭窄正面，纵深梯次配置，以第 3、第 4、第6师 主力及第 18混成旅等部部署在岳阳，为第一梯队；第40师和第33师的两个师团位于临湘地区，为第二梯队。另外以第6师团的两个旅团由忠防、西塘分两路向大云山实施包围，掩护主力部队集中和展开。
9月18日拂晓日军出动了300多门火炮、100余架飞机轰炸国军阵地。下午4时第3、4、6、40师团在杨林以西20 千米的新墙、童溪街、四六方等地强渡新墙河，步兵在骑兵和坦克装甲车的引导下，如潮水般涌过河来。立印遭中国第4、58、20军阻击。双方在新墙河两岸展开厮杀，国军利用轰炸后残存下来的30多门火箭炮对新墙河北岸集结的日军进行了两轮覆盖射击。将近800多枚造成北岸日军大量伤亡，日军进攻为之一滞。可惜的是火箭炮暴露位置，炮兵阵遭到日军火炮、飞机轰炸，好在火箭炮轻便、易转移，才没有被完全歼灭，但损失也不小。日军立即组织第二次进攻，前沿一线的第102师、60师、59师拼死还击。其中要数第4军102师打的最为激烈，该师防守地段是日军第3，第4，第6师团的集中攻击方向。
102师原是黔军双枪兵，师长柏辉章。遵义会议开会的那座大楼就是他的公馆。柏辉章在贵州时是臭名远扬。除了带兵外，他的主要工作就是是贩卖大烟，勒索民间，祸害老百姓。但全面抗战发生后，9000多人的102师被调出贵州，走上抗日战场。柏辉章及102师却打的极为英勇、战斗意志极为顽强。淞沪会战时，全师仅剩3000人。补充到7000人后，经过徐州会战，又只剩2000多人。第二次长沙会战前部队经过整补，部队齐装满员7000人。
102师连续打退了日军数次强渡，面对拥有坦克、装甲车的日军强渡部队，102师用火箭筒轻松敲掉了打头的坦克、装甲车。机枪不断射杀强渡的日军步兵，日军欲修复新墙河上的桥梁，该师集中所有火力封锁河桥通道，并把桥梁炸塌，日军攻势稍减。战斗一直持续到19号拂晓，日军加大攻击力度，102师再次用仅剩的十多具火箭炮对北岸日军进行了一次齐射，随后火箭炮损失殆尽。经过一天一夜的厮杀，102师损失巨大，柏师长手上已没有预备力量，连工兵都派出了笔架山阵地。