护法联军在北军可能进攻的方向进行防御部署：平江、通城方向的防御由湘军刘建藩、李仲麟所部担任；浏阳至醴陵方向的防御由粤军马济部担任；常德至益阳方向的防御由桂军林俊廷部担任；岳州至羊楼洞方向的防御由湘桂军主力部队担任。
联军在岳州至羊楼洞约五十公里的防区内，布设多道防御地带。
第一防御地带从新店、滩头至赵李桥、羊楼洞以南，长约二十公里，由湘军第一师（欠第一团）和独立第三旅第五团防守。
第二防御地带设在羊楼司、廖平铺铁路两侧，由独立第三旅之第六团和桂军韦荣昌所部之一旅防守。
第三防御地带设在临湘（今陆城）至桃林一线，由桂军贲克昭旅和湘军第一师之第一团防守。陆裕光所部一混成旅和程潜所部五营驻守岳州。联军的防御配系，基本是以岳州为中心，以武（昌）岳（州）铁路为轴线，实施重点设防，以对付嘉鱼、蒲圻方向之敌的进攻；平江、醴陵方向的防御兵力则比较薄弱。
一九一八年二月二十三日，已被提任为陆军第三师师长的吴佩孚，率先头部队抵达蒲圻。
在此之前，张敬尧率第七师等部已进抵通城。第二路张怀芝部因被在武穴屯兵主和的冯玉祥旅所牵，滞留九江，未能按期进入湘东待机地域。
吴佩孚对这次攻湘作战最为卖力。他刚任师长，踌躇满志，急于想利用这次作战树立声威，发展个人权势。因此，他不待所部全部进入待机地域（第二、第三混成旅还在开进途中），便迫不及待地于二月二十八日发动了进攻。
吴佩孚将进攻部队分为三路：以王承斌之第一混成旅出嘉鱼，经太平口、鼓花洲（今谷花洲）沿江岸进攻联军翼侧；以第三师第六旅（欠步兵第十一团两个连）和曹瑛之第四混成旅进占羊楼洞，牵制羊楼司方面之联军；吴佩孚亲自指挥暂编第五混成旅（由第三师第五旅及炮团、工兵营等组成）、骑兵第三团（易骑为步）和第十一团两个混成连，组成突击部队，向联军防守薄弱的新店镇、滩头（今坦渡）方向进攻，拟从中路突破联军防线，尔后与左路部队钳击羊楼司之联军。
二月二十八日晨，北军发起进攻，于当日击败了守卫新店、滩头的湘军第一师之第二旅，向纵深推进。
联军急以湘军第一师之第二团和独立第三旅之第五团，进入滩头以西之万峰山阵地阻击敌人。
三月二日，北军再次突破湘军阵地，攻占万峰山。
至此，联军的第一防御地带被敌攻破，羊楼司暴露在敌人面前。
这时，岳州地区雨雪交加，山险路滑，给北军的进攻造成了困难。吴佩孚决定息战数日，等待天气好转，同时电令后续部队赶紧向战地集中。
羊楼司位于湘北边陲，与湖北赤壁、通城、崇阳三县接界。是由北进入湖南的第一镇，守南北要冲，历来为兵家必争之地，是湖南四大边境重镇之一。地处万峰山与大药姑山之间，周围山势陡峭，铁路横穿狭谷，是由武昌入岳州的咽喉要道。
联军原将湘军第三旅之第六团、桂军韦荣昌所部一旅，部署于羊楼司至廖平铺铁路两侧的高岭上，控扼险要，林修梅、韦荣昌亲至羊楼司指挥。
新店、滩头失守后，赵恒惕部也退守羊楼司。联军以羊楼司为中心，在南起港口，北至黄盖湖一线，构筑了由堑壕、石垒和铁丝网组成的四道防御阵地，准备坚守；同时，派出敢死队，深入太平口、新店一带，袭敌后路。
三月五日左右，吴佩孚所部后续部队相继抵达战地。吴便令曹瑛之第四混成旅由太平口沿江西进，增援第一混成旅。
三月十日，吴亲率第二、三、五混成旅和湖北第三混成旅，左起朱楼坡（羊楼洞南）右至黄盖湖，对联军第二防御地带发动进攻。吴部沿山梁推进，攻势猛烈。联军虽依托阵地顽强抗击，仍抵挡不住北军的冲击，当天即有三道阵地被敌突破。
十一日上午九时，最后一道阵地也落入敌手，联军只得放弃羊楼司，向岳阳方向后撤。这次战斗，北军死伤三百余人，南军伤亡更为惨重。
北军攻占羊楼司后，便于三月十一日上午以第三混成旅为第一追击队，经长安驿（今临湘）向新墙方向追击，抄袭联军后路；以第二混成旅为第二追击队，由平水铺经长安驿、路口铺向云溪推进，尔后窥取岳州；吴佩孚亲率第三师第六旅，于十二日向新墙方向续进，企图切断联军退路。
云溪，（现湖南省岳阳市云溪区）地处长江中游南岸，西濒东洞庭湖，位于湖南省东北部，东北与临湘接壤，西北与湖北监利隔江相望。属幕阜山余脉向江汉平原过渡地带，境内群峰起伏，矮丘遍布，河港纵横，湖泊众多，整个地势由东南至西北呈阶梯状向长江倾斜。是通往岳州的最后一个战略要地。
由桂军陆裕光部一混成旅和湘军第一师第一团防守。三月十三日，北军阎相文之第二混成旅开始沿铁路向云溪进攻。云溪守军竭力抵抗，阎旅进攻受阻。
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