根據1938年11月國民政府南岳會議的決定，從1939年6月開始，國軍進行了第二期整訓。1939年9月1日凌晨，納粹德國利用夜幕的掩護，在2300多架飛機的支援下閃擊波蘭，第二次世界大戰在歐洲全面打響，歐美列強的注意力更多的被吸引到歐戰上，對東方無暇顧及，中國的抗戰形勢因此雪上加霜。

歐戰爆發后，為進一步打擊中國的抗戰意志，日本方面制定了旨在消滅中國第九戰區部隊主力的作戰計劃。1939年9月中旬，岡村寧次指揮日軍五個半師團約12萬人，在海空軍的配合下兵分三路、分進合擊，從贛北、鄂南、湘北三個方向向長沙發起了進攻，從而引發中日第一次長沙會戰，這也是歐戰爆發以來日軍對中國正面戰場采取的第一次大規模的攻勢作戰。國軍方面于當年10月1日正式任命薛岳為第九戰區司令長官，共調集30多個師，24萬人分途迎擊，保衛長沙，以湘北為防御重點，后退決戰。

1939年9月14日夜，日軍在贛北發起鉗制性攻擊，沿奉新、靖安一線西犯，至18日先后占領會埠、上富、村前街等地，威脅高安左側背。與此同時，另一路日軍也從高安東北大城鎮向祥符觀發起進攻，并于18日占領祥符觀，繼續向高安逼近。9月19日，國軍放棄高安，退至錦江南岸，兩路日軍隨即在高安會合。日軍會合后，留下一部在奉新西南地區實行防御作戰，另派兵力開赴武寧，主力則在上富鎮附近集結，準備西進。國軍趁機于9月22日收復高安。9月23日，日軍開始向修水方向西進，并在隨后的幾天里先后攻占上富、橫橋、甘坊以及九仙湯、沙窩里。為阻止日軍繼續西進，國軍調集三個師的兵力向甘坊一帶日軍反擊，雖然沒能克復甘坊，但卻拖住了日軍的西進步伐，使其未能遠行。10月6日，日軍分三路向奉新、靖安、武寧撤退，國軍尾隨追擊，至10日前后，雙方逐步恢復原陣地。

在鄂南戰場，日軍于9月21、22兩日開始出動，相繼攻占麥市、桃樹港，并繼續向福石嶺攻擊，切斷了第九戰區湘北和贛北之間的主要聯絡線，接著向平江地區進攻，協同湘北日軍夾擊國軍。9月27日，日軍因屢攻福石嶺不下，遂以主力繞福石嶺以西向南突進，攻占龍門廠。9月30日，日軍攻占朱溪廠，主力進入長壽街、龍門廠、獻鐘一帶，在獻鐘以西三眼橋與先頭部隊會合。此時，尾追日軍南下的國軍一部開始由西向東對嘉義、獻鐘一帶的日軍進行攻擊，另一部則由東向西，向長壽街、龍門廠、朱溪廠日軍攻擊，此外還有一路國軍也正在日夜兼程南下準備夾擊日軍。10月1日，國軍連克桃樹港、麥市，斷敵退路，獻鐘日軍竄抵平江，大部潰竄于山岳地帶中。10月2日，日軍被迫后撤，國軍各路相互配合多次對撤退的日軍進行截擊、夾擊，并先后收復獻鐘、修水等地。10月10日，撤退的日軍大部逃回通山、通城一帶原防地。

在湘北主戰場，日軍主力從9月18日開始向新墻河北岸守軍陣地發起進攻，雙方激戰五晝夜。9月23日，日軍在炮兵和航空兵的協同下，施放毒氣，強渡新墻河，國軍陣地失守，被迫退守株洲。同日，另一部日軍在洞庭湖東岸鹿角登陸，主力迂回汨羅江口以南，在營田登陸，突破國軍陣地，向東南突進，意圖切斷粵漢鐵路和長沙、平江間公路。9月25日，國軍主力向汨羅江南岸轉移，日軍也南進迫近汨羅江北岸，并派兵偽裝難民，偷渡汨羅江，襲占新市。9月26日，日軍猛攻汨羅江南岸，激戰竟日，未能有所斬獲，另一路前來增援的日軍也被國軍阻擊于幕阜山福石嶺地區，使得日軍圍殲汨羅江畔國軍的計劃破產。9月27日，國軍在長沙周邊主要區域進行周密部署，防御日軍進攻。9月28日，日軍一部經甕江向平江迂回，另有一部由汨羅江畔開始分路南進，各路日軍均遭到國軍的頑強阻擊，已無力繼續南進。

眼見湘北主戰場日軍不斷遭到伏擊、側擊和夾擊，補給不濟，逐漸陷入困境，戰場態勢日益不利，9月29日，岡村寧次下令撤退。9月30日，湘北和鄂南日軍會合于三眼橋，一部越過撈刀河占領永安市。10月1日，進至永安市的日軍向撈刀河以北撤退，第九戰區國軍展開追擊。10月2日，國軍克復上杉市，3日到達福臨鋪、金井附近，4日克復汨羅、新市等處。至10月9日，國軍一部進占鹿角、新墻、楊林街之線，日軍大部撤回到新墻河北岸。10月15日，戰場全部恢復戰前態勢，第一次長沙會戰結束。

在第一次長沙會戰中，日軍勞師南征，不但未能達到殲滅第九戰區國軍主力的目的，反而遭到國軍強有力的阻擊和側擊，損失慘重，傷亡兩萬余人，而國軍也有三萬余人傷亡。

1939年11月，國軍第二期整訓結束，部隊戰斗力有了一定的提高。當時適逢第一次長沙會戰結束，國府軍事委員會判斷日軍可能會增兵再攻長沙，為進一步消耗日軍，國軍決定將整訓部隊主力分別撥歸第9、第5、第3和第2戰區，并于11月下旬至12月上旬全面對日軍發動“冬季攻勢”。在這次的“冬季攻勢”中，國軍投入了一半以上的兵力，在北起內蒙，南至中國與法屬印度支那交界附近的廣大地區內發動攻擊，前后歷時4個月。1939年12月20日，國軍主力攻進包頭城，日軍調兵增援，國軍被迫撤回五原。1940年1月，日軍攻克五原城；3月20日，國軍發動反攻，全殲五原日軍，收復五原城。1939年12月16日，國軍攻入開封，焚毀日軍司令部。山西方面，國軍于12月10日向翼縣、絳縣一帶的日軍發起攻擊，退敵于曲沃、新絳。12月12日，國軍從正面向以武漢為中心的日軍發動進攻，經40天戰斗，給敵人以重創。此外，華東國軍也向駐守在滬、寧、杭地區的日軍發動進攻，并于12月13日攻入杭州、富陽、余杭，23日攻克青陽城。廣東方面，國軍自1940年1月2日至16日，連克翁源等多處日軍據點，取得粵北作戰勝利。

另外，上一次講過的國軍收復南寧的昆侖關戰役也是在這次冬季攻勢中進行的。國軍的此次冬季攻勢無論是作戰規模，還是軍隊的戰斗意志，均大大超出日軍意料，給日軍以相當大的打擊，攻勢結束后，中國正面戰場很快恢復了原有的態勢。

為總結第一次長沙會戰的經驗教訓，探求日后抗戰方略，1939年10月末至11月初，國民政府軍事委員會在南岳召開第二次軍事會議，即第二次南岳軍事會議。蔣介石在會上強調，一定要切實執行第一次南岳軍事會議確定的第二期抗戰軍事戰略。同時蔣介石還提出了歐戰爆發后中國應采取的戰略。他說：“我們的戰略亦就是要使中國抗戰能達到與世界戰爭同時結束的目的。在歐戰沒有結束，世界問題尚未解決以前，我們若急求速了，妄想與日本妥協講和，這就是自取失敗，自取滅亡!”。

1939年11月，國民黨五屆六中全會在重慶召開，蔣介石重申了一直要打到歐戰結束的戰略思想，并強調在此期間，中國要從各方面加強自己的力量。此外，在中共問題上，五屆六中全會還決定由“政治限共”變為“軍事限共”，國共關系開始惡化。