1941年8月26日，日本大本营以“大陆令”第538号命令批准长沙作战计划。8月下旬，日军第11军开始向湘北集结兵力，进行作战部署：
第3师团配属四个山炮大队，由湖北应山附近出发，9月16日前后集结于岳阳东南的小桥圳；第4师团配属山炮、迫击炮各一个大队，由湖北应城、安陆地区出发，9月10日前后集结于岳阳东南的新开塘附近；第6师团配属两个山炮大队、一个迫击炮大队，由岳阳、崇阳出发，9月中旬集结于岳阳以南的草鞋岭附近；第40师团配属一个山炮大队，9月上旬由湖北大冶、咸宁地区，西移至桃林附近集结。
早渊支队以第13师团四个步兵大队、两个山炮大队为基干组成，由宜昌以南的紫金岭出发，9月15日集结于岳阳以东的冷水铺附近；荒木支队以第33师团三个步兵大队、一个山炮大队为基干组成，由江西安义地区出发，9月上旬集结于桃林附近；平野支队以独立混成第14旅团一个步兵大队、一个山炮中队为基干组成，9月中旬由江西瑞昌移至岳阳城陵矶附近集结；江藤支队以独立混成第14旅团一个步兵大队为基干组成，9月中旬由江西瑞昌移至临湘附近集结。
战车第13联队配属两个轻装甲车中队，9月中旬由武汉向岳阳集结；野炮重炮兵第14联队，9月中旬由武汉向岳阳附近集结；第11军工兵队以三个独立工兵联队、八个架桥材料中队为基干组成，9月中旬由武汉向岳阳、临湘地区集结。
9月15日，第11军在岳阳设立司令部战斗指挥所，并召集各部队参谋长会议，检查战前准备情况，并确定：
作战目的：摧毁中队的抗战企图，给第九战区军队以重大打击。
作战方针：击败新墙河、汨罗江之间的中队后，接着从长乐街附近进入汨罗江下游一线发动攻势，攻击河左岸的中国第4军及第99军。在新市至栗桥（新市南约25公里）公路一线突破敌阵地，以军主力将敌包围在公路以西湘江一带歼灭之；另一部（第6、第40师团）击败蒲塘（平江西南约10公里）方面山地内之敌。攻击汨罗江左岸地区中队的时间，定为9月18日开始进攻。预定在9月23日，9月底前达到作战目的。
第11军集结后期，以一部兵力协同海军向洞庭湖西岸的常德佯攻。为牵制中国第九战区军队，令警备在南浔沿线（南昌方面）的兵团适时发动攻击。
第11军用于长沙方面进攻作战的地面部队，总兵力为45个步兵大队、