时间进入到5月份后，日军调动频繁，进攻态势已经很明显，但第9战区司令长官薛岳，认为日军鉴于前3次长沙会战失败的教训，不敢发动对第9战区的进攻。等到日军大量集结，才根据以往长沙会战的经验制定了相应部署，期待“第四次长沙大捷”的到来。

经过战前的调兵遣将，长衡一线的兵力达到了17个军47个师，达50万人，其兵力在数量上并不弱于敌军，武器装备上也比之前优良很多，其中不乏第10军、第74军这样的王牌军队。

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然而，当日军推进到长沙附近时，薛岳却转移到离长沙80公里的朱亭，临走时并没有确定长沙守卫战的最高指挥，致使第4军军长张德能、炮兵指挥官王若卿、第9战区代参谋长赵子立互不统属，造成多头指挥现象，使部队协调不力，指挥混乱，军队战斗力大打折扣。

军队部署上，张德能让第59、102师守卫长沙城区，第90师守卫岳麓山一线；炮兵部队听从王若卿的指挥，把小口径、射程近的火炮部署在长沙城附近协助步兵防守城区，大口径、射程远的火炮，则部署于岳麓山阵地。

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在中方军队混乱时，日军在长沙附近的4个师团全部就位，投入到攻击中，在飞机、重炮部队、毒气弹的配合下，长沙失陷。第4军数万官兵，突围后经过收容统计，仅剩下6500多人，炮兵部队在岳麓山的大炮全部丢失。

根据日军第11军统计：中方军队死35400人，缴获重炮10门，野山炮51门、机关炮29门、迫击炮69门、重机枪152挺。日军死1503人，伤3662人。此战果不可谓不惨烈，部队战斗力没有发挥出来，和衡阳保卫战时第10军的战绩形成鲜明对比。

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