ฝ่ายญี่ปุ่นเริ่มการโจมตีเมื่อวันที่ 17 กันยายน เมื่อกองทัพที่ประจำอยู่ทางตอนเหนือของมณฑลเจียงซีโจมตีไปทางตะวันตกมุ่งหน้าไปยังมณฑลเหอหนาน อย่างไรก็ตาม แนวของญี่ปุ่นขยายออกไปกว้างเกินไปทางตะวันตกและถูกโจมตีโต้โดยกองทัพจีนทั้งทางเหนือและทางใต้ บีบบังคับให้ต้องถอนกำลังกลับไปทางตะวันออก

เมื่อวันที่ 19 กันยายน ฝ่ายญี่ปุ่นดำเนินการโจมตีจีนตามแม่น้ำซินเชียงโดยตัดสินใจใช้แก๊สพิษ ถึงแม้ว่าการใช้แก๊สพิษจะถูกห้ามตามอนุสัญญาเจนีวา ตามที่นักประวัติศาสตร์ชาวญี่ปุ่น อาวุธเคมีได้รับมอบอำนาจจากคำสั่งเฉพาะที่กำหนดโดยจักรพรรดิฮิโรฮิโตะซึ่งถูกส่งผ่านไปยังกองบัญชาการกองทัพจักรวรรดิ การใช้อาวุธเคมีดังกล่าวได้มาจากการทดลองเชลยชาวจีนโดยหน่วย 731 อย่างไรก็ตามกองทัพญี่ปุ่นก็ได้ใช้แก๊สพิษต่อที่ตั้งของทหารจีน เมื่อวันที่ 23 กันยายน กองทัพญี่ปุ่นสามารถขับไล่ทหารจีนออกจากพื้นที่แม่น้ำซินเชียงได้ และกองพลที่ 6 และที่ 13 ข้ามแม่น้ำโดยมีการยิงสนับสนุนจากปืนใหญ่และเคลื่อนพลต่อลงไปทางใต้ตามแม่น้ำมีหลัว

การสู้รบอย่างหนักยังคงดำเนินต่อไปหลังวันที่ 23 กันยายน และกองทัพจีนล่าถอยไปทางทิศใต้เพื่อหลอกล่อให้ฝ่ายญี่ปุ่นติดตามมา ในขณะที่กองพันสนับสนุนเข้ามาถึงในทางตะวันออกและทางตะวันตกสำหรับกลยุทธ์การโอบล้อมกองทัพจีน เมื่อวันที่ 29 กันยายน ญี่ปุ่นเข้าถึงชานเมืองฉางชา อย่างไรก็ตาม ฝ่ายญี่ปุ่นไม่สามารถยึดเมืองนี้ได้เนื่องจากเส้นทางเสบียงถูกตัดขาดโดยกองทัพจีน

เมื่อวันที่ 5 ตุลาคม กองทัพจีนได้ยิงเครื่องบินญี่ปุ่นตกเป็นจำนวนมาก ซี่งเครื่องบินดังกล่าวได้รับคำสั่งจากยาสุจิ โอคามูระ เพื่อเป็นการเปิดทางรุกเข้าสู่ฉางชา และในวันที่ 6 ตุลาคม กองทัพญี่ปุ่นที่ฉางชาได้ถูกทำลายลงเป็นจำนวนมาก ในขณะที่ส่วนที่เหลืออยู่ล่าถอยไปทางทิศเหนือ

เมื่อวันที่ 10 ตุลาคม กองทัพจีนได้ยึดครองพื้นที่ในมณฑลหูหนานทางตอนเหนือของมณฑลหูเป่ย์และมณฑลเจียงซีตอนเหนือคืนกลับมาได้สำเร็จ