廣州、武漢相繼陷落後，粵漢間的湖南成為日本侵略者攻擊的主要目標。日軍在兩次攻佔長沙均未得逞的情況下，於 1941年12月23日，又以第40師團主力發動了第三次對長沙的進攻。薛岳總結前兩次會戰的經驗教訓，提出了一套利用湘北複雜地形，與敵後退決戰的「天爐戰法」。敵軍先乘大雨和夜色突破了我軍前沿陣地，渡過新牆河，扑向汨羅江北，並與沿粵漢線南下的日軍第3師團會合後，很快攻至汨羅江南岸，進入我軍預設之決戰區域。薛岳向所部官兵下達手令：「第三次長沙會戰，關係國家存亡。岳抱必死決心、必勝信念。」他要求「各集團軍總司令、軍、師長，務必確實掌握部隊，親往前線指揮，適時捕捉戰機，殲滅敵軍」。日軍第3師團在飛機支援下向長沙東南阿彌嶺等中方陣地發起了進攻。薛岳下令第10軍李玉堂布下巷戰陣勢，守衛長沙市區。雙方在長沙東南郊展開激戰，拚死爭奪，幾乎所有據點都反覆易手。敵軍的攻勢受挫。為了加強長沙防守和反擊力量，薛岳又調第77師進入長沙預備作戰。與此同時，他部署外圍的中國各軍由遠處向長沙逼近。當敵軍看到被中國內外線兵團包圍的危險準備撤退時，薛岳即命令各部隊從不同方向對敵軍展開圍追堵截。日軍且戰且退，損失慘重。薛岳指揮中國軍隊利用湘北山丘河流交錯縱橫的複雜地形，繼續以各種方式追擊，使敵處處挨打。第三次長沙會戰取得大捷。整個戰役共殲滅日軍5萬多人，沈重打擊了日本侵略者的囂張氣焰。
抗戰勝利後，薛岳被委任為徐州綏靖公署主任。1949年任廣東省政府主席，同年底任海南島防衛總司令。1950年5月去往臺灣。
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