三次会战过后，薛岳被授予青天白日勋章，“天炉战法”名声大噪，薛也非常志得意满。
1944年5月，日寇第四次向长沙进攻，这次的日军司令官已经从阿南惟畿换成了横山勇。这个横山勇早在进攻之前，就狠狠研究了一顿天炉战法，他认为天炉战法里的一个重要战术，就是层层阻击、袭扰日军，消耗其有生力量，并且，由于我军对其地形的熟悉，往往依靠地形优势阻碍日寇机械化部队的前进，因此鬼子吃了大亏。
基于此，横山勇为日寇专门配备了一支工程兵部队，随时修路修桥，大大提高了部队的机动性，另一方面日第十一军的军力已经得到了大大的补充，原来的十一军下辖三个师团，人数最多时有12万人，但横山勇接手后的日军，已经扩充到36万人，与之前的日寇不可同日而语。
但是薛岳仍然沉浸大胜的喜悦之中，此时的长沙城，防备已经大不如前，正是日寇进攻的好时机。
这次，日寇仍然在新墙河以北集结，薛岳将此当成了前三次长沙会战的翻版，企图继续使用“天炉战法”将鬼子击溃。可这次他想错了，横山勇是有备而来，第11军加上各支援部队，总兵力已经接近五十万，而长沙城附近现有的部队只有近30万，我军兵力首次少于日军，处于劣势。
鬼子进攻的第一天，六个师团就全线压了上来，而且侧翼还经过专门的加强，已经无懈可击，这种兵力已经远超之前的长沙任何一次会战，国军的三个军损失惨重，只能向南撤退，薛岳命令军队破坏沿线的道路桥梁，并在侧翼袭击日军，但横山勇早已下令，不要管侧面的敌人，全速向南进发，并且工程部队迅速修复了路桥，我军阻击失效了。
仅仅两天，鬼子便抵达了汨罗江北岸，横山勇一面派部队继续在正面进攻，一面派出一支兵力沿汨罗江南下洞庭湖，攻占了归义，使我外围守军腹背受敌，战意锐减。之后，他又派多支部队穿插攻击，我军的阵线很快被撕裂，随后鬼子兵临长沙城下。薛岳依然束手无策，只能安排部队死守，想要等待援军到来，再次融化这支日军，但他所希望的并没有到来。
当鬼子突破新墙河后，即将主力分成数路向新墙河、泊罗江以南迅猛前进。当时以一部沿粤汉路南下直扑长沙；一路由杨林街、大屋冲、新开岑直插谭家坊，截断二十军退路；又分另一路由杨林街、大屋冲、红花尖袭击133师师部。当时133师奉命掩护前线部队向山区转移。以397团占领斗南尖，399团占领水口桥以北山地，师指挥所设于红花尖。约十时左右，日寇在飞机掩护下向133师猛攻。一部潜入红花尖下，企图暗袭师部。幸经搜索连长杨曦臣发现，予以痛击，排长蒋秀延、杨日轩负伤。
这时，军团退路被截断，改由步仙桥退长寿街，师即开始转移，以399团作掩护队。该团先以一个营沿军退却路线分别占领要点向敌阻击，逐步后撤。尽管敌机轮番低空扫射投弹，我军仍利用敌机间隙，向军指示目标前进，在长岑以西地区宿营。
次日清晨向梅仙前进时，恰好碰见约一个大队的鬼子在长岑附近袭击军部辎重营和战防连。参谋处处长陈德邵急令399团的任和清营与398团的屈占云营合力进行围歼。激战至午后四时，鬼子伤亡惨重，向梅仙方向逃窜而去。
399团在战斗中擒获了六名鬼子特务，审讯后得知：日寇主力正在泊罗江沿岸渡河，另一部在南江桥、梅仙间抢修公路。
陈德邵根据敌情，与向文彬团长、军干训班教育长陈亲民（已任133师副师长）等取得联系，在第三日研究决定突围计划。由陈亲民率干训班及辎重团一个营与守库部队为左纵队。由南江桥、梅仙间越过公路向长寿街前进。约定于第四日傍晚开始行动。
突围时，师长周翰熙率师直属部队，突先头部队三九九团前进。该团以庞贵龙营走先头，其余两营占领梅仙以北高地，掩护突围部队通过。庞营刚到南江桥至梅仙间公路上，即与敌车队遭遇发生战斗，当烧毁敌汽车三辆，缴获大批战利品。全师安全通过南江桥公路后，经东门市、长寿街到青梅湾集中。这次师自梅仙、谭家坊被敌包围至突围到青梅湾，经历十余日时间。
6月16日，日军开始进攻长沙城区以及岳麓山阵地。这次鬼子吸取了上次由东面进攻遭到岳麓山炮兵轰击的教训，仅以少数兵力佯攻长沙城。主力由长沙下游曾口渡过湘江，迂回到岳麓山后面向岳麓山猛攻。这时，守长沙的第4军军长张德能仅以陈侃第90师驻守岳麓山（但也未向山后布防）。而以59师与欧阳百川后调师（仅有一团兵力）驻守长沙城；陈侃在岳麓山忽然遭到日寇从山后袭击，猝不及防，手忙脚乱。而炮兵阵地又在岳麓山前面，不能支援。因此，岳麓山很快被敌占领，三十门大炮全未发生作用，一齐丢掉，而陈侃也向衡山方向逃跑了。岳麓山一失，长沙全在包围之中。驻守城内部队指挥无人（因军长张德能与长官部参谋长赵子立俱在岳麓山指挥所），只得夺路逃跑，遭到日寇追击，损失惨重，仅剩两个团突围而出。日寇遂于六月十九日占领长沙。至此，经过几次会战的长沙名城，终于陷落在日寇手中了。
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