1941年12月8日，日军偷袭珍珠港，发动了太平洋战争。特命驻武汉第11军司令阿南中将发动一次果敢的进攻，以牵制中国军队。第三次长沙会战由此拉开序幕。战斗打响时，杨森的27集团军首当其冲。
     战斗开始前几天，杨森侦察得知日寇在岳阳、城陵矶一带的部队有6师团(驻湖北蒲坼)和新的34师团番号，且调动频繁，估计将有大战。杨森将侦察情况报告了蒋介石及各总部，使各军对日寇将发动进攻有准备。
     战事开始，守卫第一线的134师401团防线被突破，杨森27集团军总司令部下令20军部队在新墙河以南汨罗江以北地区，沿公路、铁路附近山区占领阵地，构筑工事，坚持阻击敌人七天的任务，以掩护战区主力部队在长沙附近的部署。这时133师在粤汉路附近的黄沙街、龙凤桥、下高桥等地占领阵地。接着，133师在铁路附近与敌人大部队遭遇，顽强阻击，激战了三天三夜，双方伤亡均重133师397团团长陈亲民、398团团长徐昭鉴负伤，398团营长王超奎、三连连长王化南阵亡。134师在旨泉岭、影珠山、古华山等地对沿公路南犯之敌予以侧击，堵袭攻后续部队及后勤补给，使日寇在汨罗江以南捞刀河以北地区遭受惨重损失，始终未能攻下长沙，又一次被迫撤退。在撤退途中，杨森下令20军、58军各部跟踪追击，敌人粮弹无继，飞机又无法空投，且后面追兵又紧紧尾随，敌人竟然施其无赖，放火烧毁民房，乘黑夜借火光从烟雾中撤退。杨森在山上观察到敌人要撤，当即令397团、399团又分别从大路、小路、追击堵袭。追击部队在修水桃树港攻占了日军的兵站和医院。撤至汨罗江畔的大部日寇正企图搭浮桥争抢渡河，397团赶到，利用迫击炮大量杀伤渡河中的日寇。敌人出动飞机掩护，399团五连连长熊德全中弹阵亡。在两天一夜的激战中，敌人尸横遍野，杨森令湘阴、平江、长乐等三县出动民工，挖了几个大坑，来掩埋敌人的尸体。同时还俘获了大量辎重车辆战马和作战物资。
     突围桂林 艰苦鏖战
     1944年5月27日，湘北第四次会战开始，杨森20军军部驻水口，133师守关王桥，134师守关王桥以南，新20师守新墙河，第4军守长沙，侧面为58军。日寇派出一支突击部队突然从山上向新墙河守军新20师攻击，新20师被打垮后退。20军七个团从水口岭向汨罗江上游直插平江，追击日寇于醴陵上栗寺一带，与敌发生激战。此时日寇一面与追击部队周旋，一面已推进至长沙，欧震率第四军放弃长沙退守衡阳。在此危急时刻，蒋介石才抽调部队增援衡阳，同时令20军赶到茶陵布防，并负责阻止敌军对衡阳形成包围圈，使衡阳坚守了46天。最后衡阳失守。八月中旬杨森总部再茶陵地区被日军围困，薛岳并未向蒋介石报告，重庆国民党政府只是从日本广播中收听到：“湘北战将杨森在茶陵地区被围歼中。”蒋介石获此消息才下令将27集团军副总司令欧震所指挥的20军、37军(军长罗奇)等部统归杨森指挥。这才使杨森又从广东系的薛岳、欧震手中收回了指挥权(湘北四次会战后，薛岳曾将20军、30军拨归欧震指挥)。历史学家分析第四次湘北会战失败的原因，是广东系薛岳、张发奎(四战区长官)、欧震对蒋介石不满特别是对张发奎的侄儿第四军军长张德伦擅自放弃阵地，在湖南胡作非为，被蒋介石下令在重庆土桥枪毙一事非常痛恨，更促使广东系和蒋介石的矛盾激化，再加上薛岳与欧震勾结，夺了杨森的指挥权，才导致这次会战失败。
     杨森率部在茶陵地区突出日寇重围后，又奉蒋介石电令在安仁县和日寇激战了八昼夜。美国空军从桂林出发为其助战，杨森的二儿子总部参谋杨汉烈担任对空联络翻译，向美军指示轰炸日寇的目标，同时又派增援部队堵袭，给敌人以惨重打击。‘

     蒋介石又令杨森率部退守桂林。当部队从安仁县到郴州(今郴县)时，郴州已被日寇占领，只得从郴州敌人薄弱的地方冲过去。，但仍然无法直赴桂林，才南下走永兴到广西永福县。，然后转桂林外围修仁县驻防。杨森率部离开湖南时，薛岳将新20师截留，并派保安队四处围堵，最后杨森只带走了20军的五个团，所以在修仁布防时，杨森加紧补充整顿部队。在修仁前面守黄沙河的是陈牧农的97军。九月，日寇向桂林发起进攻，包围了修仁。20军守修仁一线的为陈德邵的399团，彭泽生的397团。第四战区长官张发奎令陈牧农撤出黄沙河，因为黄沙河背面是一片平原，撤退后无险可守。蒋介石急电张发奎，问为什么放弃黄沙河?张发奎在召见陈牧农时将陈扣留，枪毙。杀人灭口，推卸罪责。并保亲信甘丽初为97军军长，这就引起了97军官兵的愤懑，造成部队混乱，接连后撤。日寇的进攻企图将20军通往桂林的后路截断，杨森即令20军连夜梯次退却。接着桂林失守，20军撤向柳州。张发奎率长官部只顾后退，日军长驱直入。国民党空军前来掩护撤退，张发奎总部未设联络信号，致被误认为是日军，竟遭到轰炸。蒋介石令杨森率30军一个师、炮团和20军所部撤向贵州。杨森率部退至广西龙江，日寇从广西永福县东北向西南斜进，杨森即派陈德邵团在龙江前面一带监视敌人。当该团赶到指定地点时，阵地已经被敌人占领。陈德邵立即派两个侦察员将敌情报告连夜送133师师部师参谋长苏直方因撤退疲劳，接到报告未及时处理。陈德邵率全团在三柯圩(离杨森总部三十里)与敌人苦战一天一夜。由于杨森未见到陈的报告，天亮时才发现日寇已到龙江以北，敌人兵站已距总部只有一里路。杨森急令特务营掩护总部撤退，由于撤得仓皇，连被盖卷都丢光了。蒋介石令杨森节节阻滞敌人，以待增援，并调胡宗南一个师归杨森指挥。杨即令该师守历门关，不了这装备精良蒋介石嫡系部师和敌人才接战两个小时就被打垮，杨森气愤地令总部特务营上去，才将日寇打退。
     日军攻占独山，全国震动，重庆国民党政府一片惊慌。蒋介石急调部队反攻独山，杨森奉命率部从广西急行军参加对独山的反攻。当杨森的部队到达距独山以南九十里后，拍陈德邵率一营部队先扫清沿途的敌人。当该营部队到达山洞时，发现有日军部队正在一个寨子里睡觉，陈德邵率部将寨子包围，并立即通知杨森总部尽快通过。为了使炮团(全靠人力抬炮)安全通过，杨汉域又加派一个营围困寨子，部队直到天亮才通过完毕。这时日寇后续部队赶到，杨森指挥部队一面阻击，一面参加对独山的反攻。独山收复后，蒋介石令20军在贵州整训，部队转移到榕江、黎平等县等待准备接受美国的机械化装备。这时，已经是1944年12月。杨森也于是月调任贵州省主席。
     1945年5月，杨森20军奉令由黔东开始向桂林进攻，此时日本在太平洋战场和中国战场均已成强弩之末，在各方面的配合反攻下，20军于日寇8月15日无条件投降前夕，攻下了桂林。抗战胜利后，20军奉调湖南，军部驻衡阳，部队分驻株洲、长沙、湘潭一带。
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