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；浏陽至醴陵方向的防御由粤军马济部担任；常德至益陽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，向岳陽方向后撤。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。
这时，从北面的临湘（今陆城）和东面的通城方向向云溪撤退的联军，乘机从侧后袭击阎旅，毙伤其官兵四百余名。
吴佩孚急令第五混成旅和张敬尧师之补充旅驰援阎旅。北军四个旅并力合击，终于在十五日下午攻占云溪。
北军攻占云溪后，立即对岳州城发起总攻。
其进攻部署是：
以第一混成旅之第一团为右纵队，沿江岸进击；
该旅之第二团和第四旅之第八团（欠第二营）为左纵队，从云溪向岳陽正面进攻；
湖北第三混成旅之第五团进驻对岸之白螺，防联军退往江北；
海军第二舰队派“楚观”号等四舰沿江梭巡，配合陆军进攻。
三月十六日上午总攻开始。右路第一混成旅第一团在舰炮配合下，一举攻占要隘城陵矶，其少数先头部队乘胜突入岳州城内。后见联军溃兵纷纷退入城内，恐被城外北军误攻，又退至城外。
十七日，各路北军会攻岳州。
这时，联军前线总司令程潜分析战场形势后认为：“一、二两路的敌军兵力皆比我雄厚，……如果我军与曹张部队在羊楼司和平江作胶着战，不能迅速解决，让张怀芝率部长驱进入湘东，我军势必腹背受敌，全军成俘。”
据此，他电令前线部队：“如不能进取，可退后暂将岳州让出，再行相机进击”。于是，守城联军于十七日夜弃城退守新墙。十八日上午，北军进占岳州。
三月二十一日，联军在新墙遭到北军第二、第三混成旅的夹击，稍事抵抗即向长沙败退。
在守卫岳州的战斗中，联军防御部队约有三师之众，又有便于防守的地形和事先构筑的工事，本可以打个漂亮的防御战，但结果却完全相反。联军作战之所以失利，主要由于湘桂军将领间矛盾重重，相互掣肘。其次是兵力分散，消极防堵。再者是装备落后，士气不振，骤遇北军新锐，便难于招架。
吴佩孚是北洋军阀的“后起之秀”，在这次作战中，他指挥部队对联军的阵地实行猛打猛冲，对联军的据点实行分路夹击，重点突破，虽然双方兵力不相上下，但他可以因战术得当，获得局部优势。致使联军陷于被动，连连败退。联军在岳州的失败，使湘省护法战争的形势急转直下，也给直系军阀吴佩孚提供了扬名的机会。
北军展开军事行动后，连战皆捷，岳州攻克后，北京政.府下令嘉奖。
电云：“据第一路总司令两湖宣抚使曹锟，援岳总司令张敬尧，海军第二舰队司令杜锡珪，迭次电呈，分路规复岳州，水陆兼进，所向有功，先后于月塘嘴、羊楼司、通城、临湘、古米山、九岭、白葛岭、天岳关等处，连次激战，迭获胜利，节节进逼。三月十七日，攻破岳州。逆军顽强抗拒，相持不退，经我军奋力攻击，并由舰队掩护业于十八日将岳州克复各等语。
“此次出师攻岳，自开始攻击以来，为期不过旬日，屡夺要隘，遂克名城，实由该总司令等调度有方，各将士忠勇用命，用能迅奏肤功，拯民水火，览电殊深嘉慰。仍着该总司令等，遂照电令.计.划，督率所部，奋勇进取，并先查明此次在事出力各将士，分别等差，呈请优奖。其阵亡被伤官兵，并准优予议恤，以昭激励而慰英魂。
“第念岳州临湘一带，人民重罹兵燹，流离颠沛，弗安厥居，损失赀财，危及身命，哀我湘民，叠被荼毒，与言及此，惨怛良深！应由宣抚使曹锟，迅派妥员，各路查明，加意抚恤，安集劳徕，各安生业。用副吊民伐罪之至意。此令。”