日军从一开始就动用强大兵力，第一线部署5个师团并列于湘北、鄂南之华容、岳阳、崇阳一线，另以3个师团部署于第二线监利、蒲圻和崇阳一线，共约15万人。5月26、27日，日军兵分三路南攻：右翼渡洞庭湖趋沅江、益阳;左翼从通城分趋平江、渣津;中央沿粤汉路向汨罗江推进。日军号称在东西约120公里、纵深约50公里的地区展开规模宏大的野战。
5月28日，重庆军委会电令第九战区准备在长沙、浏阳之间与敌决战。由于对日军的强大攻势估计不足，重庆当局开始除从第六战区抽调1个师增援外，没有从其他战区调集兵力。薛岳请求蒋介石从第三、六、四、七战区抽调兵力增援，而蒋介石要求第九战区以现有兵力应战。直至战役开始一段时间后，重庆当局感到日军来势凶猛，才陆续从周边战区抽调兵力参战。
第九战区司令长官薛岳部署的战区防卫战略是：在湘江东、西两岸，步步阻击，消耗敌军，而将主力部署于两翼，诱敌深入后，在长沙附近围歼日军。但薛岳的这一战略部署是沿袭第三次长沙会战的战法，日军早有防备。日军一反过去惯用的孤军深入的战法，以战斗力最强的骨干兵团部署于两翼，致使薛岳的外侧作战难以成功。另一方面，日军使用优势的第二线兵团保持纵深阵势，对战略要点实施重点突破。国军总体参战兵力虽超过日军，但在要点的防守攻略上，兵力反居劣势。
薛岳的外侧作战不利，沿湘江两岸南下的日军很快进逼长沙。日军以两个师团约3万余人围攻长沙，而薛岳仅以1个军(第四军，军长张德能)守备，战斗兵员不过1万余人，守备的兵力与阵地极不相称。日军进攻长沙的计划是：“为了攻取长沙，必须攻占其西方的岳麓山。为此，派遣有力兵团在湘江左岸进攻该山，与直接担任进攻长沙的兵团相互策应。”而薛岳在防守长沙的兵力布置上，令张德能以第四军的2个师守长沙城，以1个师守岳麓山。岳麓山位于湘江西侧，与长沙城隔江相对。在地理位置上，岳麓山居高临下，俯瞰长沙城，为长沙整个阵地之锁钥，欲守长沙必先守岳麓，岳麓一旦失守，长沙绝守不住。守备岳麓山的第九师除缺员外，战斗兵不过3000人，而防区竟达50里之广(岳麓山周围设防)，实属防广兵单。迄岳麓形势危急，张德能临时转用兵力，从长沙城抽调兵力增援岳麓山，由于在战斗激烈之时仓促调动，渡江船只准备不足，反而自乱阵脚，动摇军心，导致长沙迅即失守。长沙决战计划落空。
