全面抗战开始后，薛岳也参加了淞沪会战和徐州会战。
到长沙保卫战时，名义上的第九战区司令长官为陈诚，但实际由薛岳代理，参谋长为吴逸志。第九战区的作战区域主要是以长沙到衡阳一线为核心，包括整个湖南和江西两省，以及鄂南部分地区，期间薛岳兼任湖南省主席，指挥的部队主要是商震第20集团军、杨森27集团军、王陵基30集团军以及其它临时划归指挥的部队，总兵力始终保持在三十多万人。
此外，第一集团军卢汉部和十五集团军关麟征部，也曾在第九战区作战，但第一次长沙会战后调往云南，驻防滇越边境。
在四次长沙会战期间，日军以武汉为核心，核心任务为确保南京到武汉的航道畅通，统一由十一军负责指挥，所属部队约20多万人，但要守备的防线相当长，东起南京，西到三峡一带的宜昌地区，兵力比较紧张。但在每次作战时，都会从其它地区抽调部队参战。
在日军华中派遣军周围，国军部署的包括第三战区、第五战区、第九战区，以及在宜昌保卫战前后设立的第六战区。每个战区至少辖三个集团军的常备部队，加上一些机动部队，在华中地区日军外围，如果只看数量，国军部队就已经上百万了。
也就是说，从兵力和整体战略态势看，华中地区的日军处在国军四个战区的包围之中，国军又有兵力优势，那么应该是国军处在主动攻击状态，日军被动防御才合理。但事实恰恰相反，除了第五战区发动过一次攻势之外，其它各个战区都是处在完全被动的状态，日军想打哪个就打哪个，来去自如，国军对日军完全无可奈何。
而且，华中日军虽然同时面临三四个战区的压力，而且兵力一直在来回调动，但国军各个战区都是各自为战，相互之间缺乏策应配合，有时候甚至会相互掣肘，影响作战。比如在常德会战时，在派第十军增援常德的问题上，薛岳就态度消极，很不愿意。因为常德当时已经改为隶属于第六战区，薛岳认为常德得失，与自己无关。
也因为日军始终处于兵力比较紧张的状态，所以，占领的地区越多，自己就越被动。因此，在豫湘桂战役之前，日军在华中始终没有明确的战略目标，每次进攻都是以捕捉战机，打击和消灭国军各战区的主力部队为目标，而不以攻城略地为目标。
理解了这个大背景之后，我们再来看薛岳指挥下的四次长沙会战，就会发现，全部是被动防御作战，而没有一次主动进攻。其作战指导思想也是利用日军的弱点，逐次抵抗，诱敌深入，一线部队逐步转入外线，攻击日军后勤补给线，等到日军进攻到长沙的时候，在长沙坚决抵抗，消耗日军，等到日军久战疲惫，后勤不继，被迫撤退的时候，国军再转入全线反击。
用先后担任第九战区副参谋长、参谋长的赵子立的话说，四次长沙会战期间，薛岳的作战指导思想实际上就是八个字，争夺外线，后退决战。薛岳在国内外媒体上大肆吹嘘的天炉战法，其核心实际上也是这八个字。
湖南地区本来就是丘陵地带，起伏不平，加上河流众多，水网纵横，日军从武汉向长沙方向进攻，沿途需要经过水网纵横的地区，如新墙河、捞刀河、汨罗江、浏阳河等大小河流，对机械化程度相对较高的日军来说，交通十分不便。
而且，国军在这条线路上彻底破坏了原有的公路等主要交通线，并且向一些地区放水，制造障碍。加上日军兵力不足，所以在前三次长沙会战中，国军都能在遭到日军攻击之后，迅速转移，成功转入外线，进入日军后方，攻击日军补给线。
因此，当日军战略意图清晰，在达成主要作战目标之后，毫不恋战，坚决撤退的时候，国军虽然能够在追击过程中给日军造成一定的杀伤，但实际上战果都非常有限。
第一次和第二次长沙会战，都是这种情况。日军开始进攻之后，国军一线部队稍作抵抗，就转入外线，放日军继续向长沙方向进攻。等到日军进攻到长沙附近的时候，国军再坚决抵抗，同时外线部队攻击日军补给线，迫使前线日军回撤，再在中途寻找歼敌机会。
第一次长沙会战时，日军只是试探性的进攻，无意深入，更没有彻底攻占长沙的意图。所以，日军在进攻出发时只携带了一个星期的给养物资，但因为国军没有能够有力抵抗，所以日军能够持续作战半个月，已经超出了预期。
即便如此，薛岳也一度企图放弃长沙，退守衡阳。但十五集团军司令关麟征认为，此时日军已经是强弩之末，不必急于放弃长沙，可以先坚守一下，如果日军攻势太猛，到时候再撤也来得及。结果日军只是常识性的攻击了一下长沙，发现国军没有撤退的意思，就主动撤退了。国军随即转入全线反击，一直到双方恢复之前的接触线，战役结束。
第一次长沙会战中日军投入兵力约十二万人，国军这边，第九战区所有部队都投入战斗。战后，薛岳打死吹嘘长沙会战胜利，上报的战绩为日军伤亡四万多人，但日军方面的记录称，实际损失仅有3500多人。
第二次长沙会战，日军出动兵力与第一次相当，但收获要大得多。此时，军委会投入重金打造了两个机动作战部队，一个是泰山军第十军，一个是虎贲军74军，都在湖南境内。在日军开始向长沙攻击之后，军委会命令刚在上高会战中表现出彩的74军增援长沙，原本驻扎在衡阳一带，准备运往滇缅边境的第十军，也被临时拨归薛岳指挥。
但薛岳的指挥也是让人一言难尽，将这两个军几乎全部报销。74军本来是重金打造的攻击部队，擅长进攻，薛岳却非要命令他们去守长沙。在前往长沙的路上，日军在春华山一带伏击，将74军击溃，军长王耀武也几乎被俘，下属的师长廖龄奇战后被军委会下令枪毙。
第十军也是重金打造的攻击军，但在长沙危急的时候，薛岳将第十军的三个师分拆使用，一个师一个师的投入战斗，去增援三十七军，结果变成了三个师轮流挨揍，全部被日军打残，损失惨重，战后只能又被调往衡阳整训。
也就是说，第二次长沙会战，国军损失更大，两个重点打造的攻击军都被日军打残，是失败的一方，只是日军没有攻占长沙，在达到扫荡性攻击的目标之后，主动退回原防线，所以，战后薛岳又大肆宣传长沙会战胜利。
赵子立认为，前两次所谓的长沙会战的胜利，水分很大。国军所谓的梯次抵抗，实际上是被日军逐次击溃，国军所谓的争取外线，实际上是因为日军兵力不足，又要乘胜急进，所以放弃了外线，让给了国军。而国军在追击阶段的所谓求心攻击，实际上只是远远的跟着日军，真正激烈的战斗很少，也根本不可能对日军造成太大的伤亡。
第三次长沙会战，确实算是一次胜仗，薛岳浓墨重彩的吹嘘天炉战法，主要战绩就是第三次长沙会战。
相比前两次长沙会战，第三次长沙会战在前期阶段，日军未遭到国军的激烈抵抗，也未能取得类似击溃74军、打残第十军这样的战绩，所以，在进攻到长沙附近的时候，日军企图用攻下长沙来弥补之前的不足，从而出现了前两次没有出现过的状态，也就是日军在坚城之下强攻久战。
第三次长沙会战中，奉命坚守长沙的是第十军，这也是第十军打出泰山军的名声的成名之战。在作战中，国军始终牢牢控制着瞰制长沙的制高点，岳麓山，第九战区的炮兵在这里对日军形成了火力压制。日军在强攻不下的情况下，没有果断撤退，反而企图拼死一搏，孤注一掷，为外线国军向长沙方向增援提供了机会。
在国军外线部队先后赶到战场之后，已经对孤军深入的日军形成了包围态势，日军才仓皇开始部署撤退，已经为时太晚。加上此时前线日军已经接近弹尽粮绝，补给线又已经被切断，增援部队尚在途中，因此，日军只能仓皇撤退，途中遭到国军层层阻击，损失较大。
国军战后声称，日军伤亡约5.7万人。而日军战史记录中，此战阵亡1500多人，4400多人负伤，共计6000人左右。但总体来看，四次长沙会战中，第三次长沙会战确实是含金量比较高的一次胜利。
但因为前三次真真假假的“胜仗”，尤其是第三次长沙会战之后，薛岳非常骄傲自满，认为日军受此重创，从此后再不敢来犯长沙。到第四次长沙会战之前，重庆军委会根据各方面情报判断，日军正在集结兵力，有进犯长沙的意图，提醒薛岳，薛岳却满不在乎。
第四次长沙会战是豫湘桂战役的一部分，又称长衡会战，此战日军战略意图清晰，目标是攻占长沙、衡阳、柳州等地，打通大陆交通线，所以对长沙和衡阳志在必得。日军此战投入兵力远超过前三次，达到近二十万人，而前三次中，最多的一次，也只有十二万人。
日军此次进攻也不再是前三次那种扫荡性的进攻，而是东西两线同时进攻，东线突破国军一线阻击阵地之后，并没有急于前进，而是稳扎稳打，一边修整公路，确保补给线，一边等待西线日军突破洞庭湖防线，等到西线突破之后，东线马上转入进攻。
在战法上，日军此战也没有再轻易把外线让给国军，而是不断压迫国军整体向南撤退，退往湘南、赣南一带，西线则牵制和分割国军，让国军无法增援长沙，也无法快速增援衡阳。各部队只能在几个战场上各自为战，相互失去策应。
薛岳原计划继续复制第三次长沙会战的战法，特意留下他最信任的粤军第四军，负责守长沙，但日军此战先从西线打过来，攻占了岳麓山，第四军仓促从河东向河西转移，遭到日军半渡而击，全军崩溃，留下指挥的参谋长赵子立和第四军军长张德能等，慌忙扔下部队，往衡阳方向逃跑。
原本作为会战后方的衡阳，这时就成了最后的决战战场。第十军在常德会战中被薛岳分散指挥，三个师都被击溃，正在衡阳整顿，此时就突然变成了决战的主力，奉命死守衡阳。但军长方先觉率第十军1.7万人苦战57天，国军增援部队还是赶不来，最终方先觉和下属发出著名的衡阳最后一电，誓言要杀身成仁，然后就投降了。
前三次长沙会战的“胜利”，让薛岳一时声名鹊起，但第四次会战的惨败则让他完全失去了下属各部队的信任。在长沙失守之后，王陵基30集团军、杨森27集团军等，就不再服从薛岳指挥。蒋介石命令薛岳指挥部队向西撤，薛岳却认为这是让他去给广西看大门，坚决不干，蒋介石只好命已经升任27集团军副总司令的李玉堂另设指挥部，指挥部队增援衡阳。
薛岳的老领导张发奎在回忆录中说，国军在抗战期间从未取得过一次真正意义上的胜利，即便是国军以五倍十倍的兵力将日军包围，也不能全歼，日军仍然可以突围而去。所以，他认为国军抗战期间的几次所谓大捷，都是吹出来的。
薛岳在长沙保卫战中的战绩，也可以作如是观。当日军不以攻城略地为目标时，就会撤退，国军就会出现“大捷”，而当日军想要攻占长沙、衡阳时，薛岳的天炉战法也不灵了，完全无力抵抗和阻止日军。