1942年，一月六日至一月十二日，追击战全面展开。
中国军队各部乘胜追击，将日军彻底赶过新墙河，恢复战前态势。81军作为装备最精良、机动性最强的部队，承担了最艰巨的追击任务。
追击战中，81军的优势体现得淋漓尽致：
汽车化运输使部队能够快速机动，往往超前部署在日军退路关键节点；迫击炮、掷弹筒等轻型火炮在追击战中发挥巨大作用，专门打击日军后卫部队；狙击手则如幽灵般尾随，专打军官、通信兵和机枪手。
一月八日，泪水河畔的惨状传开后，日军残部的士气彻底崩溃。许多士兵扔掉武器，化装成百姓试图逃脱，但被当地民众识破举报。湘北民众饱受日军蹂躏，仇恨极深，自发组织起来搜捕散兵。
一月十日，81军前锋抵达新墙河北岸，与日军后卫部队发生最后激战。此时日军已无心恋战，稍作抵抗即全线后撤。中国军队用炮火“送行”，直到日军完全消失在望远镜视野之外。
一月十二日，薛岳下令停止追击。第三次长沙会战，以中国军队的完全胜利告终。
一月十五日，第九战区司令部发布战报：“第三次长沙会战，自一九四一年十二月二十四日至一九四二年一月十五日，历时二十三昼夜。我军毙伤日军约七万二千人（原历史为五万六千人），俘获官兵一千四百余人，缴获火炮五十六门、枪支七千余支、车辆四百余辆、战马一千二百匹及其他军械物资无数。我军伤亡约二万三千人（原历史为二万八千人）。”
薛岳在呈送军事委员会的报告中特别提到：“此次大捷，17集团军81军居功至伟。该军装备精良，训练有素，尤以炮兵运用、阵地构筑、机动防御见长。长沙城郊三天防御，毙伤敌逾万；春华山奔袭阻敌，锁死日军退路；追击战中机动迅速，战果丰硕。该军伤亡约四千人，以较小代价取得巨大战果，实为此次战役关键之一。”
报告中，他还总结了几个关键军事原则：
1. **奇正相合**：在传统“天炉战法”（正）基础上，加入精锐预备队作为“铁砧”（奇），改变了战术节奏，打破了日军预期。
2. **技术赋能**：81军的先进装备与合适战术结合，证明了在现代战争中，体系化装备、系统化训练的重要性。
3. **心理博弈**：放弃部分诱敌阶段，直接让日军在长沙城下撞上硬骨头，从心理上打击了日军的骄纵之气。
4. **机动防御**：防御不是被动挨打，而是通过机动、反击、袭扰等方式不断消耗敌人，最终由守转攻。
战报传出，举国欢腾。自太平洋战争爆发以来，盟军在各条战线接连失利，长沙大捷如同一道曙光，照亮了阴霾的天空。
国际社会反响强烈。英国《泰晤士报》评论：“在珍珠港阴影笼罩太平洋之际，中国军队在长沙的胜利犹如一道曙光。此役证明，日军并非不可战胜，中国战场牵制了日本陆军主力，为盟军赢得了宝贵时间。”