1939年9月，第11集团军司令官冈村宁次指挥7个师团、2个旅团及海军、航空兵各1部，共16万余人，采用分进合击的战术，进攻长沙企图打通中国西南门户。冈村宁次想将东路日军在在江西北部的修水一带，发动侧攻，然后转向西南方，切入湖南东北部；中路军则是由湖北南部发动攻势，与江西的日军会师，在湖南东北部占领战略位置。 身为国军第9战区代司令长官的薛岳，看准了冈村宁次过于躁进的心理，计划利用山岳江河有利地形，诱敌深入，分散日军，将日军引向江西、湖南的崇山峻岭，断绝日军补给，然后将其包围。当日军进入地形极其复杂的幕阜山地区时，国军采取突击，并切断了日军的补给线。冈村宁次的战术完全失败，之后又遇上薛岳主力军的包围，伤亡达2万余人，不得不退出战场。
1939年12月12日至1940年1月20日，薛岳组织实施第9战区冬季攻势。4月9日，薛又组织20个师发起夏季攻势，至6月27日攻克奉新、靖安、西山万寿宫及高邮市等重要据点，击毙敌混成第16旅团长藤堂高英少将，有力地配合了第5、6战区同期进行的枣宜会战。在战区主力冬季攻势遭受惨重损失之后，还能取得如此战绩，实属不易。1940年10月至1941年3月，薛岳指导第9战区各部进行反扫荡作战，先后取得陈山船埠、九岭、奉新等战役的胜利，收复通城、武宁等县城。1941年3月15日至29日，薛岳参与指挥上高会战。
此时阿南惟几刚被任命为日军第11集团军司令官，他上任后就想一雪前耻，调及在湘北岳阳以南地区集结了第3、第4、第6、第40师团和4个旅团，总兵力达12万余人的兵力，准备利用日军强大的火力优势，集中兵力于长沙正面，强攻长沙。1941年9月18日，日军开始疯狂攻击大云山的国军，火力空前猛烈，主力直扑长沙外围。此时薛岳仍然采取诱敌深入的方法，不与日军强力交战，只是尽量将日军引向湖南的崇山峻岭。而后将部队一个接着一个的在长沙外围与日军周旋，有力的分散了日军进攻长沙市区的兵力，增加了坚守长沙的时间。此时日军正楚于被牵着鼻子走的状态。第4师团虽曾一度攻入长沙市区，日军的第3师团，也曾攻到南方的株洲，但在薛岳的布局之下，日军由于主力一直受到牵制缺乏足够的攻城兵力，无法攻占长沙。不久后，由于日军第11军六成以上的兵力被薛岳部队拖在长沙外围，就使第11军原来的防地兵力空虚，也致使国军第6战区司令官陈诚及时抓住了战机，他发现驻守宜昌的日军第13师团兵力，只剩下三分之二，因此决定调集第6战区国军主力，全力强攻宜昌。9月26日，国军向宜昌发动猛攻，第13师团长内山英太郎中将见宜昌被国军四面强攻，而主力部队又被薛岳牵制住，因此急向阿南以及日本中国派遣军司令部求救。薛岳及时抓住战机，将长沙外围的六个军同时发动逆袭，同时命令于北岸的第4军、第20军、第58军南渡汨罗江，南北夹击。


日军第11集团军损失惨重，狼狈逃窜。国军共歼灭日军2万余人，击落飞机6架，击沉汽艇9艘，使其日军妄图一举歼灭第9战区主力的计划遭到失败。
第二次长沙会战之后日军大本营担心第9战区国军南下支援驻港的英军，命令阿南惟几率领包括4个师团，3个独立混成旅团，包括特种兵在内的5个联队及航空兵共计12万余人，向长沙方向发动进攻，另以一部向上高、修水进攻，以牵制国军，企图在汨罗江两岸，歼灭国军第9战区主力。为了这次战役，薛岳已经检讨了两次日军进攻长沙的得失，自创了闻名中外的“天炉战法”。依薛岳的叙述：天炉战法是先调遣士兵往四方撤，让敌人长驱直入。待敌人进来后，再伏击、诱击、侧击、尾击，分段一举包围歼灭。一方面消耗敌人体力，一方面打击敌人。此时阿南惟几完全中了薛岳的策略，日军在长沙陷在巷战与肉搏战之中，被国军切断了补给，只有靠空投补给品支持，攻势一旦陷入缠斗的阶段，就对日军相当的不利，另一方面薛岳于岳麓山中部署的炮兵阵地，更是发挥了极大的杀伤效果，所以日军的天时地利尽失，最后阿南下令日空军动员一切力量支援，在加上第9混成旅团的舍命奔袭，才能使第6师团退出长沙。而后败退的日军在遭到中国军队一波又一波的攻势下，遗尸遍野，全靠着日本空军不断的紧急支援，足足走了8天才得脱困，这是日军在中国战场中，遭到最大的败仗。此次战役国军大获全胜，共毙伤俘日军5万余人，成为12月7日（日军偷袭珍珠港）以来，同盟军唯一决定性之胜利。薛岳将军更是因此得到日军的“长沙之虎”的封号。
抗战后期，薛岳又于1942年6月初至7月中旬率58军、4军、79军等部增援赣东，参加浙赣会战。1943年11月至1944年1月，率99军、10军、58军、72军等部驰援常德会战。1944年5月27日至10月2日，指挥第9战区的长衡会战，歼敌2万余人。1945年1月至3月，率第9战区主力参加了湘粤赣会战。6月至8月，组织实施赣江追击战。9月14日，薛岳在南昌接受日军投降。在抗日战争八年中，薛岳以歼灭27万日军，成为了歼灭日军最多的将领，他的天炉战法至今仍被世界各国军事家奉为陆军野战的经典之作。