11月24日，日军形成了包围常德城郊之势，在飞机配合下，与国民革命军74军第57师师长余程万展开激战。日军三万多主力部队包围此地区。日军由东、北两门突入城内，双方展开逐屋逐巷的战斗。57师坚守该城至12月3日，12月2日晚，57师坚守在已成火海的常德城师部指挥所“仅300米左右”的弹丸之地，士兵剩下300多人。
城中防卫第57师师长余程万向第33集团军冯治安总司令(前任张自忠死后继任)、第74军长王耀武、第6战区上将司令孙连仲发出“弹尽，援绝，人无，城已破。职率副师长，指挥官，师附，政治部主任，参谋主任等固守中央银行，各团长划分区域，扼守一屋，作最后抵抗，誓死为止，并祝胜利。第七四军万岁，蒋委员长万岁，中华民国万岁！”的最后一电文。
余师长口述电文完毕，准备举佩枪自裁，卫士见状立即夺下枪支，并苦苦劝阻。最后，余带领104人突围，突围中3名团长战死，3日，常德大西门失守，全城沦陷。
12月9日第9战区欧震兵团由常德东西两面击破日军，攻入城内。日军开始退却，守军转入追击作战。双方的援军抵达及战斗一直持续日军最后在12月20日撤退。
此次会战，日军死伤：25718人，毙伤和缴获战马共1384，击毁敌汽车75辆，击沉、击伤敌舟艇122艘。此战役中，中华民国空军对日军先后进行216批次（战斗机1467架次、轰炸机280架次），对常德、藕池口、华容、石首等地的日军部队及补给营站发动攻击，此外还有利用军机空投物资，甚至使用战斗机的副油箱携带子弹空投至常德守军提供援助，在会战的11月28日至11月30日两天空投了2万多发弹药与7000斤肉类维系常德守军战力。
在战役中，日军利用广泛生物和化学武器，在超过36公里半径的城市传播鼠疫。记者伊斯雷尔·爱泼斯坦目睹并报告了战役。
维托尔·乌尔班诺维茨，于1943年在中国作战的波兰飞行员，看到了该城刚刚结束战斗后的面貌。他报道该战役中接近300,000平民死亡，当中不包括中国和日本的士兵。
