第37师团被华北派遣军调回山东，兵力减少4万余人。第27师团南下时人员损失了4000余人，第11军主力在这几年迭遭重创，去年年底常德会战又损失5万余人，还损失了大量重武器。经半年休整，第11军虽然编制满员了，但战斗力已大打折扣，重武器也尚未完全补充。为应对长衡会战，日军特意调来了独立野山重炮6联队额外200门大炮，以弥补第11军火力不足。
日军第11军军部从汉口前移至蒲圻，中国派遣军也在汉口设立前进指挥部。长衡会战第一阶段长沙会战自5月底爆发以来，遭到第9战区激烈抵抗。为应对薛岳的天炉战法，日军吸取前三次教训，采取稳扎稳打策略，准备分兵击破国军侧翼包围，避免深入消耗，使国军无法有效诱敌围歼。??
日军以第64师团、第68师团、独立17混成旅团、独立混成第12旅团分任赣北、武汉地区的警备。第68师团原本分配在中路进攻，1号作战计划中第5、7混成旅团用来防守赣北、湖北长江以南地区，但第5、7混成旅团在山东被歼灭，第68师团不得不留下来填补防卫空档。
日军从多个方向同时发起进攻。左翼以第3师团、第13师团进攻通城，向浏阳、醴陵、萍乡方向推进。中路以第34、116师团正面突破新墙河、汨罗江向长沙进攻。右翼第40师团南渡洞庭湖，进攻益阳、宁乡，威胁长沙侧后，同时日军还配备了第二线兵团第27、58师团尾随。