5月27日拂曉，在湖南北部水網密布的洞庭湖地區，日軍戰役總指揮橫山勇發出進攻的指令。
此次日軍的進攻兵力高達八個師團又一個旅團，總兵力36萬人，在戰力上擁有前所未有的絕對優勢。在橫山勇的軍事指揮生涯中，這還是他第一次指揮如此強大的進攻兵團。日軍的戰役計劃胃口大得驚人，國軍方麵嚴重估計不足，認為此次戰役充其量是個第四次長沙會戰。事實上橫山勇的目光早已越過長沙，在他眼中，長沙早已是囊中之物，這一點已經沒有任何懸念了。這次日軍進攻兵團的作戰縱深，按計劃應該延伸到衡陽以南，其中包括占領衡陽。因此，橫山勇在兵力優勢及作戰規模上，都早已超越了薛嶽“天爐戰法”的架構。
按照橫山勇的戰役計劃，由齊裝滿員的五個師團組成的一線兵團分三路同時發起攻擊。左路兵團由第3、第13師團組成，從崇陽出發，沿湘贛邊界的山嶽地帶向南攻擊，大迂回長沙的東南方，先攻占瀏陽，再包抄長沙後側。其目的是將薛嶽的外線兵團兜進圈內，同時也能阻擊江西的國軍部隊跨境支援第九戰區。更陰險的是，左路兵團後麵還跟著由27師團組成的第二梯隊，這支第二梯隊與攻擊部隊沿同一路線出發，兩軍相隔僅一天的路程。
中路兵團由第68、第116師團組成，沿粵漢鐵路南下，從嶽陽地區突破國軍20軍正麵防線，直撲長沙。中路兵團的後方也跟著第二梯隊，由第58、34師團組成。
橫山勇在中線擺上如此眾多的兵力，是隱藏著重大戰略意圖的。正如蔡繼剛所料，橫山勇決定在日軍包圍長沙的同時，對衡陽也進行遠距離奔襲，趁國軍全力保衛長沙時，出其不意一舉攻占衡陽。
右路兵團的成分比較雜，是由第40師團、獨立步兵106聯隊、獨立混成第17旅團、獨立第5旅團、海軍艦隊和海軍陸戰隊組成，任務是從洞庭湖區的南縣出發，沿湘江西岸的河網丘陵地帶向南攻擊，從側後方突襲長沙城的製高點——嶽麓山陣地。右路兵團的戰術價值是把薛嶽的左翼外線兵團兜入圈內，同時也可阻擊常德方向的國軍馳援。