當(dāng)豫中會(huì)戰(zhàn)正在進(jìn)行時(shí)，駐華中的日軍第十一軍也開始準(zhǔn)備向湖南方向中國守軍發(fā)起進(jìn)攻。與擔(dān)任豫中會(huì)戰(zhàn)的日軍相比，第十一軍更具進(jìn)攻作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，兵力也更為充足強(qiáng)勁。在湖南作戰(zhàn)期間，它轄有11個(gè)師團(tuán)共計(jì)100個(gè)大隊(duì)，加上華北方面策應(yīng)作戰(zhàn)的30個(gè)大隊(duì)和華南方面策應(yīng)作戰(zhàn)的20個(gè)大隊(duì)，日軍投入兵力比1938年進(jìn)攻武漢時(shí)的140個(gè)大隊(duì)更多^[1]。
4月上旬，第十一軍開始著手制訂作戰(zhàn)計(jì)劃。根據(jù)“一號(hào)作戰(zhàn)”的總體部署和自身擁有的兵力，第十一軍判斷此次向南進(jìn)擊長沙一舉可破，關(guān)鍵在衡陽長沙間的作戰(zhàn)，而進(jìn)入桂(林)柳(州)地區(qū)將面臨嚴(yán)峻困難。因此，將向南作戰(zhàn)分為攻取衡陽和攻取桂柳兩個(gè)階段。4月中旬，第一階段作戰(zhàn)計(jì)劃制訂完成。其要點(diǎn)為：一、將兵力分為兩線。第一線五個(gè)師團(tuán)并列于華容、岳州南部、崇陽一線，其中第四十師團(tuán)在湘江以西，第一一六、第六十八、第三、第十三師團(tuán)在湘江以東。第二線以第五十八師團(tuán)部署在監(jiān)利、第三十三師團(tuán)部署在蒲圻西南方附近，正在集結(jié)途中的第二十七師團(tuán)調(diào)至崇陽附近。二、于5月27日至28日開始發(fā)動(dòng)攻勢(shì)，圍殲沅江、益陽附近及新墻河、汨羅江間中國軍隊(duì)。第二線部隊(duì)負(fù)責(zé)掃蕩殘兵及修補(bǔ)道路。三、突破汨羅江防線后，應(yīng)準(zhǔn)備進(jìn)攻中國軍隊(duì)主要防線寧鄉(xiāng)、長沙、瀏陽。四、突破瀏陽一線后，應(yīng)以部分兵力急襲突進(jìn)占領(lǐng)衡陽^[2]。日軍此次作戰(zhàn)部署，吸取前三次長沙會(huì)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)向縱深急進(jìn)突破，同時(shí)配置第二線兵團(tuán)，以防中國軍隊(duì)迂回側(cè)擊。
守衛(wèi)湖南的中國第九戰(zhàn)區(qū)此時(shí)轄有第一、第三十、第二十七共三個(gè)集團(tuán)軍，計(jì)十個(gè)軍三十余師，此前已多次與日軍第十一軍交戰(zhàn)，但對(duì)日軍此次作戰(zhàn)的意圖和部署卻反應(yīng)遲緩。日軍雖從三四月間就向崇陽、岳陽、華容等地抽調(diào)軍隊(duì)，國民政府軍事委員會(huì)至5月14日方指示第九戰(zhàn)區(qū)：“敵打通平漢路后，必續(xù)向粵漢路進(jìn)攻，企圖打通南北交通線，以增強(qiáng)其戰(zhàn)略上之優(yōu)勢(shì)，其發(fā)動(dòng)之期，當(dāng)不在遠(yuǎn)，務(wù)希積極準(zhǔn)備，勿為敵人所乘，以粉碎其企圖為要。”^[3]及至5月27日日軍全線發(fā)起攻勢(shì)，軍事委員會(huì)才于5月31日頒布長衡會(huì)戰(zhàn)計(jì)劃，判斷日軍將“會(huì)攻長沙”,“并以有力兵團(tuán)鉆隙奇襲衡陽”,命令“第九戰(zhàn)區(qū)以現(xiàn)有兵力，于長沙附近與敵決戰(zhàn)”。第九戰(zhàn)區(qū)遂決定“于湘江東岸新墻、汨羅、撈刀、瀏陽河、淥水間，湘江西岸資水、溈水、漣水間，節(jié)節(jié)阻擊，消耗敵力，控置主力于兩翼，在淥水、漣水北岸地區(qū)，與敵決戰(zhàn)”^[4]。中國軍隊(duì)不僅在時(shí)機(jī)把握上先失一著，而且因?qū)θ哲娮鲬?zhàn)方針不甚明了，仍沿襲以往的側(cè)翼迂回攻勢(shì)，在戰(zhàn)役部署上又陷于被動(dòng)。
5月23日，日軍第十一軍司令官橫山勇由漢口出發(fā)至蒲圻，設(shè)立戰(zhàn)斗司令所。5月25日中國派遣軍決定將其前進(jìn)司令部推進(jìn)到漢口，顯示其投入此次作戰(zhàn)之決心。5月27日，日軍第一線五個(gè)師團(tuán)在東起崇陽西至洞庭湖以西公安、南縣一線，分三路向中國軍隊(duì)發(fā)起攻勢(shì)，長衡會(huì)戰(zhàn)(日軍稱湖南會(huì)戰(zhàn))由此打響。
在東路，日軍第三師團(tuán)、第十三師團(tuán)分別從崇陽、白霓橋向通城、麥?zhǔn)羞M(jìn)犯。中國守軍新編第十三師勢(shì)單力孤，雖經(jīng)抵抗，通城、麥?zhǔn)幸痪€還是于5月30日失守。隨后，日軍第三師團(tuán)沿南江橋、團(tuán)山鋪南下，中國第二十軍奉命抽調(diào)第一三三師至團(tuán)山鋪堵?lián)?，但未能阻敵向平江突進(jìn)。平江守軍雖與敵展開激戰(zhàn)，也因傷亡過重未能守住，6月1日平江陷敵。同日，第十三師團(tuán)南下攻占長壽街。日軍控占汨羅江一線后，繼續(xù)南下，直指瀏陽。第九戰(zhàn)區(qū)根據(jù)以往作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，除以第四十四軍防守瀏陽外，調(diào)第七十二、第二十、第二十六、第五十八軍至瀏陽外圍側(cè)擊、尾擊日軍，企圖圍殲日軍。日軍第三師團(tuán)自6月6日起向?yàn)g陽防線發(fā)起攻勢(shì)，第四十四軍頑強(qiáng)抵抗，與敵激戰(zhàn)，致使日軍一度自認(rèn)“戰(zhàn)斗進(jìn)展不甚理想”^[5]。中國守軍與敵對(duì)峙九晝夜，苦戰(zhàn)至14日上午，城防被攻破，瀏陽終告不守。與此同時(shí)，日軍第十三師團(tuán)從左翼直趨瀏陽東南一帶，連陷東門市、達(dá)滸、蔣埠江等地，至第三師團(tuán)攻陷瀏陽時(shí)已抵達(dá)瀏陽以南，使第九戰(zhàn)區(qū)側(cè)擊、尾擊日軍的計(jì)劃完全落空。
在西路，集結(jié)于華容、石首一帶的日軍第四十師團(tuán)亦于5月27日向第九戰(zhàn)區(qū)防線發(fā)起攻勢(shì)，并于28日、31日先后占領(lǐng)南縣、安鄉(xiāng)，渡過洞庭湖。隨后，日軍突向沅江。6月5日，日軍在飛機(jī)掩護(hù)下，從三面猛攻沅江城。中國守軍奮力御敵，戰(zhàn)況激烈，第九十二師有一營官兵包括營長均壯烈殉國。6日，沅江陷敵。攻占沅江后，日軍第四十師團(tuán)以主力南犯益陽。此時(shí)，為增強(qiáng)湘江以西防守兵力，軍事委員會(huì)特令第六戰(zhàn)區(qū)之第二十四集團(tuán)軍歸第九戰(zhàn)區(qū)指揮，馳援益陽一線。6月10日，日軍第四十師團(tuán)向益陽發(fā)起圍攻，守軍第七十七師奮起迎敵，城防在敵我之間幾度易手后被日軍占領(lǐng)。奉令增援的第一○○軍第十九師于13日向敵猛攻，奪回益陽^[6]。而日軍第四十師團(tuán)大部此時(shí)已南下進(jìn)犯寧鄉(xiāng)，與守軍第五十八師發(fā)生激戰(zhàn)。面對(duì)日軍重炮、毒氣，第五十八師官兵“忠勇用命，力抗頑敵，浴血抗戰(zhàn)”,在日軍突入城區(qū)后，與敵展開巷戰(zhàn)，“斃敵遍巷”^[7]。但日軍第四十師團(tuán)主力按急進(jìn)突破的作戰(zhàn)部署又已南下直趨湘鄉(xiāng)，西路戰(zhàn)斗遂告一段落。
中路是日軍發(fā)起湖南會(huì)戰(zhàn)的重點(diǎn)。日軍第一一六、第六十八師團(tuán)在5月27日晚乘夜色強(qiáng)渡新墻河，守軍第二十軍在新墻河南岸榮家灣、新墻、楊林街一線與之展開激戰(zhàn)。28日，日軍后續(xù)部隊(duì)源源渡過新墻河南犯，相繼占領(lǐng)八仙橋、黃板橋、黃沙橋、關(guān)王橋等陣地，于30日抵達(dá)汨羅江北岸。汨羅江南岸是數(shù)米高的懸崖，中國守軍利用地形構(gòu)筑縱深網(wǎng)形陣地，并埋設(shè)地雷阻擋日軍。31日，日軍向汨羅江南岸發(fā)起進(jìn)攻，中國軍隊(duì)依托工事頑強(qiáng)抵抗，予敵以較大傷亡，擊斃日軍中下級(jí)軍官多名^[8]。但汨羅江防線堅(jiān)持兩天后仍告失守。日軍第一一六、第六十八師團(tuán)隨即又向撈刀河突進(jìn)，相繼占領(lǐng)福臨鋪、金井等地。8日強(qiáng)渡撈刀河，與守衛(wèi)長沙的第四軍在南岸發(fā)生戰(zhàn)斗。11日，這兩個(gè)師團(tuán)已抵達(dá)瀏陽河北岸，長沙東側(cè)外圍處于其控制之下。而此時(shí)長沙西側(cè)外圍已受到進(jìn)犯寧鄉(xiāng)的日軍第四十師團(tuán)的威脅。
長沙是日軍前幾次湖南作戰(zhàn)的主要目標(biāo)，但此次日軍作戰(zhàn)部署與前幾次不同。擔(dān)任第一線進(jìn)攻的部隊(duì)在突破中國守軍防線逼近長沙后，并不直接攻城，而是在兩翼策應(yīng)。第十一軍專門指定經(jīng)過攻城特殊訓(xùn)練的第五十八師團(tuán)擔(dān)任進(jìn)攻長沙的任務(wù)，對(duì)步、炮、空協(xié)同作戰(zhàn)有周密安排的第三十四師團(tuán)擔(dān)任進(jìn)攻岳麓山的任務(wù)，另派配備有150毫米榴彈炮，150、100毫米加農(nóng)炮的野戰(zhàn)重炮部隊(duì)參戰(zhàn)^[9]。發(fā)起進(jìn)攻后才趕赴第一線的第三十四師團(tuán)于6月初投入戰(zhàn)場，10日在長沙東北的白沙洲附近西渡湘江，隨后推進(jìn)至岳麓山東、北兩面。原先集結(jié)于岳陽附近的第五十八師團(tuán)跟隨第一一六、第六十八師團(tuán)推進(jìn)，于12日渡過撈刀河，直插長沙東郊，與第三十四師團(tuán)隔江相望，從東西兩面對(duì)長沙形成夾攻之勢(shì)。第一線進(jìn)攻的五個(gè)師團(tuán)則在兩翼對(duì)中國軍隊(duì)施加壓力，使進(jìn)攻長沙的兩個(gè)師團(tuán)無后顧之憂。在此情況下，中國方面仍根據(jù)前幾次長沙作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備以兩翼側(cè)擊的戰(zhàn)法與日軍在長沙決戰(zhàn)，就難以避免被動(dòng)的局面了。
擔(dān)任長沙守城任務(wù)的是第四軍，下轄第五十九、第九十、第一○二師及炮兵第三旅，共計(jì)一萬人^[10]。6月初，當(dāng)日軍進(jìn)抵汨羅江時(shí)，第四軍以第五十九師防守長沙市東車站以南，以第一○二師守長沙市東車站以北，以第九十師守湘江西岸的岳麓山。
6月14日，日軍第五十八、第三十四師團(tuán)分別從湘江東、西岸向長沙和岳麓山外圍推進(jìn)，與第四軍守城部隊(duì)展開交火。次日，日軍繼續(xù)向中國守軍主陣地推進(jìn)。16日，日軍在飛機(jī)、重炮掩護(hù)下，向長沙城南和湘江西岸的岳麓山、虎形山、牛形山猛攻，中國官兵拼死苦戰(zhàn)，數(shù)次擊退日軍進(jìn)攻。但戰(zhàn)至夜晚，城南、虎形山、牛形山等陣地被日軍攻破。17日，日軍繼續(xù)向長沙城妙高峰、天心閣及岳麓山、桃花山猛攻。第五十九師憑借妙高峰等陣地死守，中國空軍十多架戰(zhàn)機(jī)也在上午對(duì)妙高峰當(dāng)面之?dāng)秤枰話呱?，打擊日軍進(jìn)攻氣焰。但湘江西岸岳麓山、桃花山陣地在日軍連續(xù)進(jìn)攻，側(cè)背又被其迂回部隊(duì)威脅，并遭日軍施放毒氣的情況下，第九十師防守部隊(duì)“損傷過半，雖經(jīng)增援，似有不支”,戰(zhàn)局危急。岳麓山為長沙城屏障，一旦岳麓山被占，長沙將無以為守。第四軍軍長張德能遂決定從湘江東岸第五十九、第一○二師抽調(diào)兵力增援湘江西岸，“與敵作決死之斗，以確保岳麓山炮兵陣地，控制長沙”。當(dāng)晚，湘江東岸部隊(duì)遵令轉(zhuǎn)移，“但當(dāng)時(shí)情況緊急，渡河未及，船舶、渡口、部隊(duì)時(shí)間均未十分計(jì)劃，渡河后之集中地點(diǎn)、指揮人員，亦未指派，以致秩序混亂，無法掌握，墜江溺斃者，不下千余”^[11]。而日軍又以火力對(duì)正在渡江的中國軍隊(duì)進(jìn)行襲擊，進(jìn)一步加大了傷亡。18日凌晨，日軍對(duì)長沙城和岳麓山發(fā)起總攻，飛機(jī)、重炮輪番轟炸，并施放大量毒氣。第四軍官兵堅(jiān)持至午后，岳麓山和城內(nèi)陣地先后失守，長沙城終被日軍占領(lǐng)。
至6月中旬，日軍在開戰(zhàn)20天后，已占領(lǐng)瀏陽、長沙、寧鄉(xiāng)一線。但第十一軍明白，由于第九戰(zhàn)區(qū)主力回避決戰(zhàn)，稍戰(zhàn)即退，損失并不很大，如不予以打擊殲滅，第二期向桂林、柳州方向作戰(zhàn)將有后患。因此，6月18日在占領(lǐng)長沙的當(dāng)日，第十一軍就下達(dá)向衡陽挺進(jìn)的命令^[12]。中國方面在長沙失守后，仍采用兩翼側(cè)擊的戰(zhàn)法對(duì)付日軍突進(jìn)，準(zhǔn)備與之在衡陽決戰(zhàn)。6月20日，軍事委員會(huì)電令第九戰(zhàn)區(qū)：“國軍以阻敵深入，確保衡陽為目的，以一部于淥口、衡山東西地區(qū)持久抵抗，以主力由醴陵、瀏陽向西，由寧鄉(xiāng)、益陽向東，夾擊深入之?dāng)扯鴼灉缰?。?sup>[13]
日軍南犯仍分東、中、西三路。在東路，日軍第十三師團(tuán)在6月中旬就南渡瀏陽河急速推進(jìn)，20日攻占醴陵，然后轉(zhuǎn)向東進(jìn)，22日又占萍鄉(xiāng)。日軍第三師團(tuán)也于此時(shí)南下進(jìn)犯萍鄉(xiāng)地區(qū)。第十三師團(tuán)遂根據(jù)軍部命令以耒陽為下一步進(jìn)攻目標(biāo)。24日，第十三師團(tuán)折返西向，沿醴陵、攸縣公路長驅(qū)南進(jìn)。攸縣并無中國軍隊(duì)守衛(wèi)，日軍不費(fèi)吹灰之力于26日進(jìn)占攸縣。隨后日軍進(jìn)逼安仁，第三十七軍在安仁以北頑強(qiáng)阻敵，激戰(zhàn)兩晝夜終于不支，安仁陷敵。7月1日，日軍第十三師團(tuán)進(jìn)抵耒陽附近，對(duì)衡陽南翼構(gòu)成威脅。而在醴陵、萍鄉(xiāng)一帶，中國軍隊(duì)與日軍第三師團(tuán)展開拉鋸戰(zhàn)，戰(zhàn)況慘烈，雙方陣地幾度易手。
在西路，日軍第四十師團(tuán)不待寧鄉(xiāng)戰(zhàn)斗結(jié)束，即于6月18日南下進(jìn)犯湘鄉(xiāng)。21日，湘鄉(xiāng)被占。隨后，日軍繼續(xù)南下，猛攻永豐。7月3日，永豐失守。第四十師團(tuán)攻占永豐后，一部向南進(jìn)犯金蘭寺，一部向東南推進(jìn)指向渣江，從西翼策應(yīng)進(jìn)攻衡陽。
在中路，日軍第一線兵團(tuán)第六十八、第一一六師團(tuán)在長沙戰(zhàn)斗還在進(jìn)行之時(shí)，即南渡瀏陽河，于6月13日攻占株洲。隨后，日軍分兵兩路，沿湘江東、西岸一路南下。第九戰(zhàn)區(qū)部隊(duì)雖沿途阻截，但仍被日軍逐次突破。6月23日，日軍在衡陽城東30里的泉溪市附近與擔(dān)任衡陽城防任務(wù)的第十軍部隊(duì)發(fā)生交火，揭開了衡陽保衛(wèi)戰(zhàn)的序幕。6月26日，第一一六師團(tuán)主力推進(jìn)至衡陽西北方向的楊柳橋，第六十八師團(tuán)則占領(lǐng)衡陽以東的飛機(jī)場。次日，該兩師團(tuán)分抵衡陽城西、南兩面，對(duì)衡陽形成合圍，衡陽成為一座孤城。
衡陽地處湖南中部，湘江中游西岸，南岳衡山南麓。整個(gè)城市東西寬約500米，南北長約1600米。湘江東岸是粵漢鐵路，湘桂鐵路經(jīng)湘江大橋與粵漢鐵路相連，使衡陽不僅是湘粵兩省的交通樞紐，也是進(jìn)入西南四省桂、黔、川、滇的門戶?；洕h鐵路東面有衡陽機(jī)場，是美國在華空軍在華中最重要的基地。衡陽如此重要的戰(zhàn)略地位和軍事價(jià)值，使其成為中日雙方攻守爭奪之焦點(diǎn)。
擔(dān)任衡陽城防的第十軍曾在第三次長沙會(huì)戰(zhàn)中堅(jiān)守長沙城，有豐富的防守作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。1943年冬參加常德會(huì)戰(zhàn)后駐防衡山。第十軍下轄第三師、第一九○師、預(yù)十師，但因常德會(huì)戰(zhàn)造成的損失尚未恢復(fù)，兵力并不充足，三個(gè)師的番號(hào)實(shí)際上卻只有七個(gè)團(tuán)。連同歸其指揮的暫五十四師、新十九師和炮兵部隊(duì)，總計(jì)兵力約1.8萬人^[14]。而面對(duì)的則是日本兩個(gè)主力師團(tuán)。
早在5月29日日軍剛發(fā)起攻勢(shì)時(shí)，蔣介石就以電話命令第十軍軍長方先覺“固守衡陽十天乃至兩周，吸引消耗敵軍兵力，在配合外圍友軍，內(nèi)外夾擊，以殲滅敵軍主力于衡陽近郊地區(qū)”^[15]。方先覺接令后，根據(jù)衡陽城東是湘江，城北有河流，城西大部為密布魚塘、蓮池之沼澤地區(qū)，而城南是丘陵地帶，因此判斷日軍主攻方向?qū)⒃诔悄?，并按此進(jìn)行部署：第一九○、暫五十四師守備湘江東岸，預(yù)十師防守湘江西岸衡陽城南，新十九師防守湘江西岸城陽城北，第三師則守備衡陽外圍的下攝司附近，并于日軍抵達(dá)前疏散完衡陽城中民眾，炸毀湘江鐵橋。
6月28日拂曉，日軍第六十八、第一一六師團(tuán)對(duì)衡陽城南面和西南的第十軍陣地發(fā)起攻勢(shì)，妄圖一舉突破守軍防線，占領(lǐng)衡陽。早有準(zhǔn)備的中國守軍奮起抵抗，其防御之堅(jiān)固、作戰(zhàn)之英勇出乎日軍的預(yù)料，且炮火相當(dāng)活躍，將至前線指揮戰(zhàn)斗的日軍第六十八師團(tuán)師團(tuán)長佐久間、參謀長原田貞等多名指揮官擊傷^[16]。日軍對(duì)衡陽的這次攻勢(shì)延續(xù)5晝夜，除黃昏、拂曉和午夜，戰(zhàn)況略為沉寂一兩小時(shí)外，其余時(shí)間敵我雙方連續(xù)拼殺。日軍進(jìn)攻先以飛機(jī)、大炮轟炸，并施放毒氣，隨后以步兵猛沖。中國守軍則在日軍轟炸時(shí)蟄伏在掩體和工事內(nèi)，待日軍步兵逼近時(shí)，以火力將其殲滅于陣地前。若日軍突入陣地，則以手榴彈、刺刀與敵展開肉搏戰(zhàn)，殲敵于陣地內(nèi)。一些陣地在雙方之間幾度易手。30日一天，二二一高地四次被日軍突破，守軍第二營傷亡達(dá)百分之七十，傷勢(shì)稍輕者雖仍在前線搏殺，但難抵日軍連續(xù)進(jìn)攻。入夜，預(yù)十師第三十團(tuán)團(tuán)長陳德坒親率預(yù)備隊(duì)增援?！皶r(shí)值黑夜，伸手不見五指，該二高地官兵與突入之?dāng)郴鞈?zhàn)一起，敵我莫辨，雙方均靜靜的不敢弄出一點(diǎn)音響，以免暴露自己的位置，有如捉迷藏，我官兵以手摸撫，穿粗棉布衣者為自己人，穿光滑咔嘰布軍衣者為敵人。發(fā)現(xiàn)敵人，即以刺刀刺殺。因此，槍支碰撞聲，與被刺者之慘叫聲，時(shí)起時(shí)寂。”至天色微亮，雙方后續(xù)部隊(duì)趕到，又是一場激戰(zhàn)，最終中國軍隊(duì)將日軍趕下山去，恢復(fù)陣地^[17]。日軍在其戰(zhàn)報(bào)中承認(rèn)：“衡陽城之?dāng)?，利用地面障礙及防御設(shè)施，仰仗火力配合反攻，進(jìn)行頑強(qiáng)抵抗”,日軍“前進(jìn)遲緩”^[18]。戰(zhàn)至7月2日，日軍在付出重大傷亡后，僅占領(lǐng)停兵山、張家山南麓等前沿陣地，而衡陽城南第一線其余陣地仍牢牢控制在中國守軍手中。日軍因損失過大需等待補(bǔ)給，不得不于7月2日午夜停止對(duì)衡陽的第一次總攻。
日軍在準(zhǔn)備第二次總攻的同時(shí)，對(duì)衡陽城由全面進(jìn)攻改為重點(diǎn)進(jìn)攻，以大批飛機(jī)對(duì)衡陽城進(jìn)行轟炸，并投下大量燃燒彈，使城內(nèi)火光沖天，晝夜均在熊熊燃燒，民房大部付之一炬，第十軍囤積糧彈也多被焚毀。但第十軍亦抓住時(shí)機(jī)，調(diào)整城防部署，并令在衡山的第三師第八團(tuán)歸還建制。該團(tuán)于7月5日突破日軍陣線，沖入孤城之中，增強(qiáng)守軍力量^[19]。
7月11日，日軍發(fā)起對(duì)衡陽城的第二次總攻。自拂曉起，日軍飛機(jī)對(duì)衡陽展開整日輪番轟炸，其炮兵則對(duì)城西南主陣地猛轟，并施放毒氣，隨即步兵發(fā)起總攻。第十軍各部在各自陣地進(jìn)行了極為頑強(qiáng)的抵抗。預(yù)十師第二十八團(tuán)防守城南五桂嶺陣地，戰(zhàn)至12日，第八連連長以下官兵傷亡殆盡，僅余一位班長率兵兩人據(jù)守一碉堡，仍與敵作殊死戰(zhàn)。第三十團(tuán)第二營，一個(gè)上午就換了三個(gè)營長：第一個(gè)營長為國捐軀，接任的營長身負(fù)重傷，繼任的營長指揮作戰(zhàn)至下午也被敵軍擊傷，戰(zhàn)況之激烈可見一斑^[20]。在張家山陣地，日軍連續(xù)三晝夜以成百人為一梯隊(duì)，在炮火掩護(hù)下持續(xù)發(fā)起進(jìn)攻。守軍陣地四度失守，四度奪回。多名營、連長在第一線率兵殺敵壯烈殉國或身負(fù)重傷。一名臥地呻吟之傷兵拉響最后一顆手榴彈，與敵同歸于盡。驅(qū)敵之后，工事殘破，“官兵累壘積尸加蓋沙土為避彈之胸墻，臭氣熏天，群蠅亂飛，不顧也！”只為擊退日軍的下一輪進(jìn)攻^[21]。至7月16日，戰(zhàn)斗更為慘烈。日軍再度發(fā)起猛攻之時(shí)，天氣驟變，豪雨傾盆。守軍在茫茫雨幕中躍出戰(zhàn)壕，與敵展開白刃肉搏，彼此進(jìn)行拉鋸戰(zhàn)。擔(dān)任衡陽城南防御重任的預(yù)十師激戰(zhàn)至此，傷亡慘重，連炊事兵、運(yùn)輸兵悉數(shù)盡上一線搏殺，所屬三個(gè)團(tuán)番號(hào)雖在，實(shí)際上多是第二線陣地增援的第三師第八、第九團(tuán)官兵。當(dāng)日晚，蕭家山、楓樹山等處被日軍突破。第十軍遂放棄第一線陣地，連夜調(diào)整部署，全力固守第二線陣地。而日軍雖攻占衡陽城南第一線陣地，卻也付出重大代價(jià)，許多中隊(duì)已無軍官，不得不由士官負(fù)責(zé)指揮^[22]。日軍對(duì)中國守軍第二線陣地的進(jìn)攻一方面繼續(xù)遇到頑強(qiáng)的抵抗，無法取得進(jìn)展，一方面面臨彈藥不足，呈難以為繼之勢(shì)。7月20日，日軍不得不結(jié)束對(duì)衡陽的第二次總攻，仍改為重點(diǎn)進(jìn)攻。
此時(shí)湖南戰(zhàn)場制空權(quán)已漸為美國駐華空軍控制。美國空軍對(duì)日軍補(bǔ)給線的轟炸使日軍難以向前線正常運(yùn)送彈藥，而且白天作戰(zhàn)也因制空權(quán)的喪失頗受限制^[23]。因此自20日起，日軍只能每日在拂曉和黃昏前后以重炮對(duì)第十軍陣地猛轟，并空投傳單，煽動(dòng)、引誘守軍放棄抵抗。第十軍至此已在日軍重圍之中守城一月。軍長方先覺于8月1日致電蔣介石報(bào)告：“本軍固守衡陽，將近月余，幸我官兵忠勇用命，前仆后繼，得以保全；但其中可歌可泣之事實(shí)，與悲慘壯烈之犧牲，令人不敢回憶！自開始構(gòu)工，迄今兩月有余，我官兵披星戴月，寢食俱廢，終日于烈日烘炙雨侵中，與敵奮斗，均能視死如歸，克盡天職；然其各個(gè)本身之痛苦，與目前一般慘狀，職不忍詳述，但又不能不與鈞座略呈之：一、衡陽房舍，被焚被炸，物質(zhì)盡毀，幸米鹽均早埋藏，尚無若大損失；但現(xiàn)在官兵飲食，除米及鹽外，別無若何副食，因之官兵營養(yǎng)不足，晝夜不能睡眠，日處于風(fēng)吹日曬下，以致腹瀉腹痛，轉(zhuǎn)為痢疾者，日見增加，既無醫(yī)藥治療，更無部隊(duì)接換，只有激其容忍，堅(jiān)守待援。二、官兵傷亡慘重，東抽西調(diào)，捉襟見肘，彈藥缺乏，飛補(bǔ)有限，自午卅辰起，敵人猛攻不已，其慘烈之戰(zhàn)斗，又在重演，危機(jī)隱伏，可想而知！”^[24]
7月底，日軍陸續(xù)向衡陽前線增調(diào)第五十八、第十三師團(tuán)，部署向衡陽發(fā)起第三次總攻。8月3日，日軍炮兵對(duì)中國守軍陣地開始作地毯式狂轟濫炸，衡陽西南半壁約4500米的正面全為硝煙彈雨所籠罩。次日，日軍步兵向經(jīng)過一晝夜猛轟的守軍陣地發(fā)起全線總攻。第十軍陣地雖在日軍轟炸下毀損嚴(yán)重，但廣大官兵仍沉著應(yīng)戰(zhàn)，奮勇殺敵，日軍第一天的進(jìn)攻均被擊退。5日，日軍再度發(fā)起進(jìn)攻，中國軍隊(duì)抵死奮戰(zhàn)，予敵以極大殺傷。第一一六師團(tuán)黑瀨聯(lián)隊(duì)一大隊(duì)長被擊斃，這是該聯(lián)隊(duì)在衡陽前線被擊斃的第六名大隊(duì)長^[25]。但中國軍隊(duì)也傷亡慘重。當(dāng)日，第十軍軍、師長舉行緊急會(huì)議，商討此后作戰(zhàn)方針。認(rèn)為因無可抽調(diào)之兵，彈藥也將告盡，守城至多再支撐三天，但城內(nèi)有傷病員六千余人，無法突圍，因此只有死守一條路^[26]。6日，日軍攻勢(shì)更猛，守軍漸漸不支，城西北角率先被敵突破。7日，日軍傾其所有兵力向衡陽城發(fā)起最后的總攻。至8日拂曉，衡陽半個(gè)市區(qū)已為日軍攻占。當(dāng)晚，方先覺率守城的第三師、第一九○師、預(yù)十師、暫五十四師各師長舉白旗向日軍投降^[27]。歷時(shí)47天的衡陽保衛(wèi)戰(zhàn)至此結(jié)束。整個(gè)衡陽一戰(zhàn)，中國第十軍1.8萬余人，傷亡1.5萬余人，其中陣亡約七千人。日軍自稱傷亡1.938萬人，內(nèi)含軍官910人^[28]。
衡陽激戰(zhàn)之時(shí)，集結(jié)在外線的中國軍隊(duì)有八個(gè)軍共計(jì)10萬人以上。蔣介石雖多次命令向衡陽增援，但被派往衡陽擔(dān)任解圍任務(wù)的僅有第六十二、第七十九兩個(gè)軍和第六十三師。而真正全力殺向衡陽前線進(jìn)行解圍的只有第六十二軍。第六十二軍于7月下旬向衡陽進(jìn)軍，與日軍在衡陽西南一帶展開激戰(zhàn)，曾推進(jìn)至衡陽南郊的火車西站。終因孤軍深入作戰(zhàn)，無法抵擋日軍衡陽攻城部隊(duì)和外圍增援部隊(duì)的夾擊而敗退。
日軍第十一軍攻占衡陽后，雖已筋疲力盡，但為不給中國軍隊(duì)喘息機(jī)會(huì)，以利下一階段廣西境內(nèi)的作戰(zhàn)，決定乘勢(shì)進(jìn)擊。于是，第十一軍傾其各主力師團(tuán)由北向南寬廣正面急進(jìn)。8月下旬，為統(tǒng)一指導(dǎo)湘桂作戰(zhàn)，日軍新成立第六方面軍，調(diào)華北方面軍司令官岡村寧次任司令官，統(tǒng)率直接擔(dān)任湘桂作戰(zhàn)的第十一、第二十三和防衛(wèi)武漢附近的第三十四軍及配備于長、衡地區(qū)的直轄部隊(duì)，實(shí)施打通湘桂鐵路計(jì)劃^[29]。而衡陽一戰(zhàn)后，湖南前線的中國軍隊(duì)尚未調(diào)整部署，在日軍快速突進(jìn)之下，無法組織有效抵抗，防線一觸即潰。僅半月間日軍就橫掃衡陽至湘桂邊境間250公里，至9月上旬，已輕易占領(lǐng)祁陽、零陵，將戰(zhàn)火燒到了湘桂邊境，連第十一軍自己也為進(jìn)展如此快速而驚嘆^[30]。