担任攻击长沙的日军部队是伴健雄的第34师团、毛利末广的第58师团和志摩源吉的第57旅团。
第58师团进攻长沙城，第34师团和第57旅团进攻湘江西岸的岳麓山。
日军攻击的部署为：
进攻岳麓山：
木佐木清次大佐的第217联队位于西侧，进攻岳麓山之桃花山。
石川明大佐的216联队为中路，进攻当面岳麓山北侧地区。
针谷逸郎大佐的第218联队位于东侧（即沿湘江西岸），金牛岳麓山东北之牛形山地区。
志摩源吉少将的第57旅团，攻击岳麓山以南的燕子山、金牛岭、仙人山，配合第34师团围攻在该地区的中国守军。
进攻长沙城区：
以野沟二彦少将的第51旅团（4个步兵大队），从长沙东南的石马铺、狮子湾、乌梅岭攻向长沙城。
以古贺龙太郎少将的第52旅团（4个步兵大队），从长沙以东的柳家山发动进攻。
张国泰回忆：
“6月15日下午3时左右，我军发现敌人在城南向市区进军，并向我警戒阵地及前进阵地开始攻击。战斗刚发生，便闻炮声隆隆，是我军榴弹炮的声音，不到半小时，据第176团报告，我军警戒阵地和前进阵地被敌人占领，守兵撤回到了主阵地。
当日西岸方面也发现了少数敌人向桃花山、岳麓山进击。
长沙东面和北面没有发现敌人。直至晚间，情况没有变化。
16日，敌一部向我城南阵地突出部红头山攻击，该阵地由第59师第176团第3营防守，战斗颇为激烈，从中午12时战至下午6时，敌人才占领了红头山。
同时，长沙东南面亦有敌军进攻，南面红头山左翼阵地一处也被敌军突入，但我军仍阻止了敌人的继续前进。
西岸桃花山阵地我军第90师第207团于翌日被迫撤退。……”
湘江两岸如开了锅般地响起剧烈的枪炮声，不时有日机飞临投弹扫射，战斗惨烈异常。
赵子立赌气般地在岳麓山地下防空洞指挥所里整理书稿，可是听到由远而近的清脆枪声，他终究还是坐不住了。
他仔细了解了两岸日军攻击情况，又爬上岳麓山顶观察许久，接通了正在城区中心的中央银行地下室指挥所里的张德能的电话：
“张军长，我不是指挥你，我现在是向你建议。”赵子立变了口吻，意在让张德能能够接受意见，果然，张德能在认真地听着。
赵子立说：“这一次敌人进攻非同寻常，这一点你是知道的，它从东西两面同时来，这与第一、二、三次长沙会战都不同。你想想，敌人要是占领了岳麓山，长沙与岳麓山只一水之隔，长沙全城都在岳麓山的瞰制之下，你能守得住长沙吗？现在如果以主力守卫岳麓山，即便长沙被敌人占了，我们仍然可以居高临下，隔河对战。主力转到岳麓山之后，向北向东，远远地派前进部队进行逐次抵抗……”
稍停了停，见听筒的另一端张德能不说话，赵子立继续说：
“只有这样，才能争得守长沙的时间以待援军。你可以将这个理由报告薛长官。”
张德能心有所动，又停了半晌，张德能为难地叹了口气：“长官叫我主力守长沙，我只好以主力守长沙，否则……”
张德能话未说完，赵子立生气地挂上了电话。
毛利末广中将吊着胳膊指挥日军第58师团向长沙城区中国守军进攻。
刚刚受到中国军队炮火袭击而负伤的毛利末广，对中国军队的炮火仍然心有余悸。岳麓山中国炮兵在第三次长沙会战中的神勇，毛利是早有耳闻。他统率的这支部队，是日军中以攻城攻坚著称的部队，抵达长沙外围时，他不敢贸然前进，他是怕这样的精锐部队还没有发挥真正的威力，就死在中国炮兵的火力下。
因此，当16日他的前沿部队已经取得了红山头、黄土岭作为攻城突破口之后，毛利师团长立即请求飞机和炮火的支援。
立即，日机飞临岳麓山上空，向中国军炮兵阵地狂轰滥炸，同时日军的炮火也铺天盖地压制过来。曾经在第三次长沙会战中发挥了巨大作用的中国守军岳麓山炮兵，顿时变得嘶哑起来，无暇他顾了。
没有了中国炮兵火力的压制，日军攻城部队主将毛利将军立即下令向城区核心阵地妙高峰、天心阁方向猛攻。
毛利在望远镜里仔细观察中国守军的阵地，脸上不觉露出了胜利者的微笑。
平心而论，毛利末广承认中国守军的阵地是坚固的，这些半露的地堡和地堡群，火力交叉，环环相扣，确实是一个较严密的防御体系，因此，长沙守军得以在第三次会战中创造出奇迹。可是这次却不行了，这些看似坚固的地堡，面对日军这次专门携来的重炮，尤其是加农炮，就显得不堪一击了。
这回使用的加农炮，可以在2000米以内直接瞄准射击，这就如同以两套不同规则进行的比赛，我能看到你，也能打到你，而你尽管能看到我，却无力打着我。
面对日军命中率极高的重炮部队，曾经成功地阻止过日军进攻的中国守军街市地堡，顿时面临绝境，从前安全的防御工事，而今竟变成了守军的活棺材、活坟墓。
在这样的情况下，富有攻城经验的日军第58师团，就如鱼得水了，虽然坚守阵地的中国军第59师师长林贤察将军、第102师师长陈伟光将军率部死守，牢牢地控制着天心阁、妙高峰等主阵地，但部队已伤亡很大。
而这时，防守岳麓山的中国军第90师已经濒临绝境。
日军航空部队是于17日中午对岳麓山进行大规模轰炸的，轻重型轰炸机对岳麓山和桃花山中国守军的编队轰炸，几乎将土地翻开了一层。大规模轰炸之后，日军重炮部队随之又集中炮击，利用轰炸、炮击之后中国军队阵地上出现的混乱局面，日军第217联队向山上突进，展开了长时间的激烈争夺战。
从桃花山西北绕至中国守军阵地侧后的日军，经连续攻击后占领了桃花山的中国守军主阵地。
至18日15时，桃花山被日军第217联队攻占。
中路日军第216联队，在梅溪河北岸由西向东依次部署了第1、2、3大队，首先由东侧的第3大队渡过梅溪河，从岳麓山北侧发动进攻，但由于连日降雨，此时梅溪河水深增加，日军渡河设施又被中国守军击毁，于是，日军改由以近距离的轻火器封锁南岸，掩护其部队进行泅渡。
17日晚，日军第216联队冲过了河，与扼守岳麓山的中国守军展开彻夜厮杀……
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