在重庆，蒋介石接到薛岳所部连续后撤的报告，非常不安，以为部队无力抵挡，信心大减。在白崇禧（时任桂林行营主任，负责长江以南的作战指挥）的建议下，他决定让薛岳相机放弃长沙，退到衡阳决战。他派陈诚和白崇禧连夜入湘。此时，陈的身份是军委会政治部部长兼第九战区司令长官，军衔为二级上将。

陈、白二人在渌口第九战区临时指挥部见到了薛岳，向他传达蒋的弃守长沙的方案。他们没有料到，薛岳坚决反对弃守长沙：“我们正准备反攻，怎么又叫我们撤退？”原来，在陈、白到来之前，薛岳正在悄悄部署一场对日军的围歼战——将日军诱至长沙郊区实行反包围，进而将其歼灭。此刻，各路大军正在向各指定位置运动。

薛岳向两位长官陈述了自己的作战计划。白崇禧问：“你能保证反攻一定成功吗？到时候反被敌军吃了，这个责任你承担得起吗？”薛岳说：“我当然会用脑袋担保。而且我认为成功有一定的把握。再说军人守土有责，怎么能轻言撤退？”白崇禧仍然不同意薛岳的方案：“持久抗战，来日方长，现在保全实力为急务。”薛岳激动地说：“如果这样，我上无以对中央，下无以对国人，从今以后我不敢再穿军衣了１

陈诚觉得薛岳说的并非没有道理。见薛白两人还在争论，陈诚说：“伯陵说得也有道理，汨罗不战，退长沙；长沙不战，退衡阳；衡阳不战，退桂林，如此退却，我们的土地也有尽头，究竟在何地可以一战？这样吧，不如且就当前敌我情势，研究我军有无一战的可能？”①他和白崇禧商量，一面让薛岳继续准备反攻，一面将薛岳的决心和当时的军情上报，让蒋介石定夺。白崇禧不便再坚持，同意了陈诚的意见。

9月29日，一部日军已窜至长沙以北30多公里的永安市，长沙城已隐闻炮声。10月2日，蒋介石终于批准薛岳的围歼日军的方案。薛岳随即下令对深入之敌实施反攻。可是晚了一步，日军似乎已察觉到中国军队的意图，开始撤退。于是，中国军队的反攻成了一场追击战，追击中消灭了少量敌军，大部日军渡过汨罗江，撤回原阵地。至10月14日，赣北、鄂南、湘北各战场均恢复到战前态势，第一次长沙会战结束。

在第一次长沙会战中，陈诚虽然没有直接参与战事指挥，但前期制定的破坏道路的办法发挥了重要作用。他后来评价长沙会战说，“彻底破坏道路办法关系成败亦巨，因为敌人的优势装备在交通阻塞的情形之下无法运用，以至敌我在装备方面已无显著差别。装备既然拉平，在地利人和方面，敌则处于绝对劣势，如此我胜，敌败，不亦宜乎？”

此外，在是弃是守长沙的决策上，陈诚帮了薛岳一把，成就了后来的“长沙大捷”，也成就了薛岳的赫赫战功。第一次长沙会战后，薛岳由代理长官提升为第九战区总司令。陈诚改兼第六战区司令长官，负责湘江以西的防御。