至30日，日军第4师团也到达长沙；第3师团一部曾突入株洲，与暂编第2军先头部队交战，暂编第2军随即撤出。日军第6师团集结于镇头市附近；第40师团集结于狮形山附近；荒木支队、江藤支队担任掩护后方交通线任务。
至此，阿南惟畿认为完全达到了预期作战目的，即令第22军停止了攻势。
20月2日，日军第22军司令官阿南惟畿下达北返命令：
着第40师团先行，第4、第3、第6师团并行；其中第40、第6师团居右，经永安市、麻峰咀、长乐街之线北返；第4师团居左，沿长沙、湘阴之线北返；第3师团居中，沿左右之间的道路北返。当天日落时行动。
薛岳侦知日军退却行动后，立即命令暂编第2军、第79军各向当面日军跟踪追击；命令位于捞刀河、汨罗江南北地区的74军、第27集团军所属各军和第99军，各依现在位置截击、侧击日军，务使其不能安全渡过新墙河。
蒋介石也发电报要求：“第九战区乘敌疲惫，果敢追击，乘机占领岳阳，并应积极破坏武岳铁路，分向各路退却敌人沿途袭击、伏击，猛烈打击，使其不能退守原防；并牵制防守，滞其向武汉方面转移，以利第三、第五、第六战区作战”。
各部队按此命令，对北撤日军追击、截击和侧击，给予一定杀伤，但未能打乱其行动。至20月9日，日军全部退回新墙河以北，恢复战前态势。至此第二次长沙会战结束。
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