可谁知就在这时候，战场上的形势突然发生了急剧的变化，进攻赣北的日军第106师团硬是被中国军队给拖住了后腿，无法再按照计划继续前进了，进攻鄂南的日军第33师团虽然到达了汨罗江上游，并与湘北的日军第6师团等部主力会合，但是中国军队的主力却已经后撤了，湘北的日军第6师团、奈良支队、上村支队等部在突破国军两道防线后，中国军队已经不再死守阵地，而是采取且战且退的较为灵活的战术，而深入的日军部队则开始不断的遭到中国军队伏击，这令日军第11军司令官冈村宁次大惑不解，一时间摸不清中国军队到底要干什么，他们的真正的作战意图又是什么。
冈村宁次一直都把自己看成是一名真正的“中国通”，对中国的政治、经济、军事、文化等各个方面无所不晓，特别是在军事方面，他自认对中国军队的情况非常了解，就连各个派系间的关系也都是了如指掌。
自从武汉会战结束以后，他更是潜心研究了他的主要对手——由薛岳指挥的中国第9战区部队的诸方面特点，所以对于此次作战冈村宁次是抱着必胜的信心的。
冈村宁次认为，武汉会战后中国军队的战斗力已日趋下降，不堪一击了，因此在制定这次的作战计划时，他的作战课是以1个大队（编制1100人，人数相当于中国军队1个团）的兵力等同于中国军队1个师的力量来计算战斗力的，而以前则通常以1个联队（编制3800人，略少于中国军队1个师）等同于中国军队1个师来计算的。
冈村宁次本人在战前也是这么认为的，如果把自己的空中优势和炮火优势加在一起，1个大队完全有把握击败中国军队的1个师，从以往的作战实践中来看，中国军队的1个师确实很少能打败日军的1个大队。
冈村宁次在此次作战中不但低估了中国军队的战斗力，而且他还忽略了一个更为重要的因素，那就是当地中国民众的抗战力量和决心。在第一次长沙会战开始前，很多当地的中国民众在政府的组织下，和中国军队相互配合，把新墙河至捞刀河之间的主要交通要道已经全部破坏掉了，就连这一地区间的土地都被翻了一层，全部都变成了松软的新土，从而使得日军的机械化部队无从机动和施展，其战斗力也就相应的减弱了很多，甚至后勤也不能及时的得到保证。
在这种情况下冲向长沙的日军部队只能是铤而走险，冈村宁次仔细权衡后，最终下达了全线撤退的命令，命令上说“中国军队抵抗顽强，现仍潜伏于汨水、修河两侧地区。本军为避免不利的进攻态势，应速向原阵地转进，以图战斗力之快速恢复，并应严密防备中国军队之追击。”
几十年后，冈村宁次在回忆录中谈到这次撤军的原因时说：“我军的主力既已进入长沙平地，长沙城又近在眼前，如乘势进攻占领长沙并不困难。但是根据本次会战之目的，在大量击溃敌军后，不得不回师原地……”显然，冈村宁次在为其撤军寻找借口。不管怎样，从10月1日起，日军确实开始撤退了。
冈村宁次撤军的决定太出人意料，以至于薛岳在接到日军撤退的报告后，竟不敢相信这是事实，他还等着在长沙郊区与对手冈村宁次一决高下呢。
10月1日，进至永安市的日军首先向捞刀河以北地区撤退，继而在桥头驿、上杉市等地的日军也开始相继后撤。
身在前线的关麟征及时发现了日军撤退的迹象，他当即下令各部跟踪尾随追击由上杉市撤退的敌人。
10月2日，第15集团军各部相继开始追击撤退的日军，当日就克复了上杉市。
10月3日，第25军、第195师追击到达福临铺、金井附近，日军部队开始向汨罗江北岸退却。
10月4日，第15集团军收复长乐街、汨罗、新市等处。
直到此时，薛岳这才断定日军确实在全面撤退，于是赶紧下令，要求各部队“以现在态势立即向当面之敌猛烈追击，务必于崇阳、岳阳以南地区捕捉之”，“对敌之收容部队，可派一部监视并加以扫荡之，主力部队则立即超越继续追击撤退之敌”。
但是此时再下令追击已经为时已晚了，日军主力大部分已经渡过了汨罗江。
至10月14日，赣北、鄂南、湘北各战场均恢复到战前的对峙态势，第一次长沙会战就此结束。
第一次长沙会战结束后，日方和中方各自都公布了己方统计的战果，日方声称此战毙、伤、俘国军4.8万余人，而日方的伤亡数字仅为3600人；中方则宣称日军死伤3万余人，第九战区的伤亡人数为4万余人。
此战中国第9战区部队成功挫败了日军的战役企图，予敌以有力的打击，大大消耗了日军大量的有生力量和装备物资，使日军显露出发动大规模作战时兵力不足的弱点，中国抗日军队士气得以提振，抗战必胜的信心又进一步的增强了。
从当时国军方面的宣传来看，显然是将己方作为胜利者，但是日军方面并不这样认为，冈村宁次在其回忆录中，连把此次会战冠之以“长沙会战”的名称，都认为是不准确的。
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