為扭轉局面，第134師師長楊幹才命預備隊第402團投入作戰。該團團長向文彬率部在白沙嶺阻擊日軍兩晝夜，並在擊斃的一名日軍軍官身上繳獲作戰地圖和作戰計劃一份。繳獲文件隨即被逐級上報，使楊森及時調整部署，並大膽派出小股部隊穿插到日軍防線後方製造中國軍隊主力在反攻的假象，從而迫使日軍第33師團後撤。10月8日，第133師配合友軍光復渣津，兩天後攻克麥市，恢復了原有防線。第一次長沙會戰也在不久之後以日軍的失敗告終。
會戰結束後，第20軍集中在通城整訓。第二次長沙會戰於1941年9月開始後，第20軍奉命由通城向西南急進，連夜趕至步先橋以東地區，配合第58軍及第4軍側擊日軍。當時軍長楊漢域正在重慶的中央軍官訓練團受訓，故部隊由副軍長兼第133師師長夏炯指揮。夏炯決定由第133師副師長周翰熙率領部隊先行出發，自隨第134師跟進。
第133師在前進途中突然遭到日軍猛烈炮擊，師指揮所也被命中，所幸沒有造成傷亡。代師長周翰熙對此從容應對，他在將部隊重新整理完畢後即與友軍取得聯繫，共同對日軍實施側攻。戰至27日，第134師抵達戰場後也投入作戰，使戰況更加激烈。
在各路部隊的齊全協力下，日軍因擔心補給線被切斷，被迫於30日開始後退。此時第134師被緊急調到金井構築陣地堵擊日軍。師長楊幹才接到命令後自率主力前往堵截，另命向文彬的第402團配合第133師發起追擊，於10月5日越過汨羅江，8日越過新墻河，迫使日軍全部退守原陣地。第二次長沙會戰再次以中國軍隊得勝而告終。
第20軍在第二次長沙會戰中，主要任務是側擊日軍。其任務雖然不是重點，但表現依然在蔣介石召開的南岳軍事會議上獲得認可，蔣氏為此還特命撥款嘉獎該軍，並為參戰的有功官兵授勛頒獎。第20軍在湖南戰場連戰告捷，再次證明了川軍的戰鬥力。第20軍的勝利還在繼續，該軍即將迎來他們軍史上最輝煌的勝績。
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