一、长沙、衡阳作战的中日部署
在日军“一号作战”的计划中，湘桂作战是重点和关键。中国派遣军本来是将打通粤汉线放在第一步的，只是因为日本大本营考虑到中美空军对长江航运的致命威胁，才决定首先要打通平汉线以确保陆路交通。平汉线既然已经打通，攻击湘桂就提到日程上来。
此时日军在华兵力，除关东军以外，计有华北方面军的第1军、第12军；驻蒙军；京沪地区的第13军；广东地区的第23军；武汉地区的第11军。其中第11军的兵力最为强大。截至1943年底，它统辖着第3、第13、第34、第39、第40、第58、第68和第116等8个师团，其中以第3、第13师团战力最强[64]，而第58师团则受过专门的城市巷战训练。常德会战后，第11军不顾大本营和派遣军要其“继续确保常德”的命令而将部队撤回原地休整。[65]
自4月中旬起，日军开始制订详细的作战计划。根据以往几次长沙会战时中国军队施展侧击的经验教训，日军这次制定了“一举纵深突破”的指导思想，企图切断中国军队并予以歼灭。具体战略部署是将初步投入作战的兵力分成二线：第一线约5个师团，并列在华容、岳州南部、崇阳一带，第40师团在湘江以西，最精锐的第3、第13师团和第116、第68师团在湘江以东，分别展开。第二线约3个师团，部署在监利、蒲圻西南和崇阳一线，准备扫荡中国残兵和修补道路。日本大本营将发动进攻的日期定在5月27日，那是日本海战胜利纪念日，1905年5月27日，日本海军在对马海峡全歼了劳师远征的俄国波罗的海舰队。[66]最初目标是“围歼沅江、益阳附近及新墙河、汩水间的重庆军”，为了对付第6战区中国军队的增援，还专门派出兵力进占松滋河一线以期牵制。
平汉线作战大致结束前后，中国派遣军总司令部向第11军下达了进行长沙、衡阳作战的命令。5月23日，第11军司令官横山勇率军司令部抵达蒲圻，并在那里设立了战斗司令部。25日，中国派遣军也将前进司令部由南京推进到汉口原第11军司令部旧地。[67]为加强第11军战力，大本营又从关东军抽调第27师团，从国内调集第47师团，从其他战场调来第37、第64师团，统归第11军指挥。为了应付中美空军，派遣军又向粤汉线方面增调了战斗机、轻轰炸机、重轰炸机各3个中队，使其战斗机总数达到370架。[68]除此之外，还有华南方面第23军的策应配合。这样，对这场即将到来的大战，日军使用的兵力就有150个大队之多（海空军尚未统计在内），“这比1938年攻略武汉时140个大队的兵力更大，正是歼灭敌军，摧毁其抗战力的绝好机会”。[69]
截至5月25日，日军各作战部队部署完毕。其中一线作战部队为5个师团：湘江东岸方面，第68（佐部队）、第116师团（岩部队）分别从蒲圻、岳阳向汨水、新墙河突进；左翼方面，第3师团（山部队）位于通城、大沙坪以北地区，第13师团（鹿部队）位于崇阳以南20公里的堰市、龙泉渡一线；湘江西岸方面，第40师团（成部队）以及另外3个步兵大队集中于石首、华容之间。第二线兵力为第34（健部队）、第39、第58（广部队）等3个师团，分别集结于蒲圻、沙市、监利一线。[70]
与日军在华中地区的厉兵秣马相比，中国军队的防守就显得漫不经心。湖南划归第9战区指挥，第三次长沙会战后，该战区除协同第6战区进行了常德会战外，主力部队已有两年没有参加重大战役。中国军队的大致部署为：（一）赣西北守军为孙渡第1集团军，所属新编第3军之新12师、第183师及地方部队担任梁家渡、高安、奉新、东堡之线的警备；第58军之新10师防守樟树、清江一线。（二）鄂南守军为王陵基第30集团军，所属第72军之第34师、新13师及地方部队担任大港、武宁、九宫山、塘口、通城、麦市、九岭、保定关一线警备；新15师在修水整训。（三）湘北正面防守为杨森第27集团军，以第20军所属之第133师、新20师担任黄岸市、杨林街、新墙河一线警戒。（四）湘西守军为梁汉明第99军，所属第99、第92师担任营田、湘阴、芦林潭、沅江南咀小港、汉寿之线的警戒。（五）另派第37军集结于瓮江铺、浯口、汨罗一带；第4军驻守长沙；第44军集结于浏阳；暂编第2军在株洲、渌口整训；第10军防守衡山、衡阳。[71]
至5月份，日军攻击的态势已是非常明了。5月6日，军委会曾致电第9战区司令长官薛岳，认为日军“由赣州直攻株洲与衡阳之情报甚多，务希特别注意与积极构筑据点工事，限期完成，以防万一为要”。[72]中旬，战区参谋处根据各方情况也获悉平汉路南段、粤汉路北段和长沙航路上运输繁忙；日军在到处抓夫，湘北日军数量明显增多，且封锁消息，不许中国人通行。面对这些情报，薛岳先是认为日军鉴于前几次长沙会战的教训，不敢发动对第9战区的进攻，及至看到日军在战区正面大量集结时，才开始制订作战计划。但他又期待着“第四次长沙大捷”的到来，认为日军还会像以前那样，由岳阳等处发动正面攻击，便按照以前长沙会战的方案，形成如下作战部署：
“战区以保卫国土、粉碎敌寇企图，于湘江东岸新墙、汨罗、捞刀、浏阳河、渌水间，湘江西岸资水、沩水、沅水间，节节阻击，消耗敌力，控置主力于两翼，在渌水、沅水北岸地区，与敌决战。于是由赣北抽调第五八军、第七二军及新三军之第一八三师，请由第三战区抽调第廿六军，第六战区[抽调]第七三、第七四、第七九、第一百各军，第四战区抽调第四六军，第七战区抽调第六二军，与原在湘北、长衡及滨湖地区之第二十、第卅七、第四四、第九九、第四、第十各军，合力参加渌水、沅水以北地区之决战……”[73]
这个渌水、沅水以北的作战计划，实际上仍以长沙、浏阳为中心。该作战计划当时也得到了蒋介石的批准。但薛岳和蒋介石等人都没有料到，日军会在东西120公里宽的范围内实施正面突击，还配署了第二线兵团。这样一来，薛岳制定的“侧翼迂回”攻势实际上根本无法奏效。尽管第9战区当时拥有第30、第27和第1三个集团军共10个军30个师，但军委会还是同意了薛岳的请求，从第6战区将王耀武第24集团军（下辖彭位仁第73军、李天霞第100军、王甲本第79军、施中诚第74军共10个师）调往益阳、宁乡一线；从第4战区和第7战区分别抽调黎行恕第46军、黄涛第62军赶赴衡阳，加上驻守衡阳的方先觉第10军，组成李玉堂兵团；从第3战区抽调丁治磐第26军赴株洲，同罗奇第37军、沈发藻暂编第2军组成欧震兵团。[74]这样的话，长沙、衡阳一线的中国军队达到17个军47个师，达50万人。[75]
二、日军合围与长沙失陷
自5月27日起，日军兵分3路南下进攻。左翼为精锐的第3、第13师团，自通城方面南下，第27师团随后推进；湘江东岸方面为第68、第116师团，分成6路强渡新墙河，第34、第58师团逐次跟进；湘江西岸方面以第40师团为主力，从华容、石首一带出发。
自湖北崇阳南下的日军左翼部队，自28日起，一路4000余人向通城东南，一路2000余人向通城西南分别进击，遇到第72军所属新15师、新13师的顽强抵抗，双方激战经日，通城于30日失守。日军继续南下，31日抵达长寿街（平江以东40公里），同守军第72军及第20军各一部发生激战。中国军队节节败退，主力退据平江一线。日军遂计划进击汨水、瓮江、平江地区，围歼第20军暨第27集团军总部。6月1日，日军进抵平江，在城北和城东北与守军展开激战。在日军空军的轰炸下，守军伤亡惨重，其中第20军第133师被日军第3师团所部包围在平江西北山地，截成数段，几被全歼。
日军占领平江后，第11军司令部于6月2日下令主力兵分两路，向南、西两个方向分路突进，计划“要在汨水南岸至捞刀河北岸地区内歼灭敌军”。命令第34师团（健部队）“以主力向新市南侧地区，另以部分兵力由归义南面突破达摩山脉两侧防线，同时向捞刀河河口挺进”；第116师团（岩部队）“突破长乐街以南的防线，经由福临铺向黄花市（捞刀河口东北侧）挺进，切断敌军退路，予以围歼”；第68师团（佐部队）“主力向瓮江市推进，另以部分兵力突破月田（新墙以东43公里）防线，一同向金井挺进”；第3师团（山部队）“应向浏阳西南方地区挺进，与第13师团相策应，围歼浏阳附近重庆军”；第13师团（鹿部队）“要在7日傍晚以前进入永和市（浏阳东北25公里）、蒋埠江（永和市东南12公里）一线，准备向浏阳东南进行作战”；第58师团（广部队）“在7日前后，推进到福临铺东西一线”。[76]
6月5日，左翼日军进抵浏阳河南岸的达浒、官渡一线，捞刀河北岸的社港市也遭到万余日军的围攻。中国军队试图在浏阳一带集结，围歼左翼的日军部队。为此，第9战区调集第58、第72、第26、第44、第20等军于浏阳北方设防。第58军（附第183师）自东向西攻击进犯之敌；第72军及第20军亦同时进击，以收三面夹击之效。另派新13师及第20军之一部攻击敌之侧背，以图牵制。由于6月4日至7日连续下大雨，战场道路泥泞，大规模战事停滞。但日军从6日即开始对浏阳城发动攻击。浏阳为防守长沙的犄角，担任浏阳防务的是王泽浚第44军。该军依托既设阵地，对攻城的日军第13师团主力进行顽强抵抗，使日军官兵伤亡惨重。中美空军也飞来助战，在9日上午的盘旋扫射中，仅日军工兵队死伤就达50余名。第44军与日军激战对峙九昼夜，日军王牌师团寸步难行。“第11军东翼山地的第3、第13师团方面的战况没有进展，尤其第3师团对防守浏阳西北山地一带第44军阵地的进攻停滞不前”。日军高级参谋岛贯在日记中记载道：“6月10日，浏阳方面形势严重化。6月11日，第3师团向第44军的坚固阵地冲击，陷于苦战模样。”[77]但中国军队最终未能完成夹击日军的计划，因为日军第13、第68师团于12日分别占领了浏阳东南75公里的嗫桥和浏阳西南30公里的官庄，并分兵向醴陵和株洲挺进，一部从南向北合攻浏阳县城。6月14日晨，三千余日军向南市街一带猛扑，步步逼近核心阵地，加上日军飞机与重炮的猛烈轰炸，守军伤亡惨重。军长王泽浚率残部从南郊山地和城西突围出城，浏阳遂告失陷。
西路日军以第40师团为主。该部三个联队分别由石首、华容南进，5月30日推进至南县、沙港一线。防守洞庭湖一线的为梁汉明第99军所部三个师。6月1日夜至2日上午，第40师团主力在海空军的配合下，强渡洞庭湖，突破了第92师等部守军的数处阻击，在赤山半岛登陆。6月2日，日军分兵数路向南突进。第236联队冒雨南进，于6月4日在沅江城郊与中国第92、第179师等部队正面接触。5日，日军猛攻沅江，守军为第92师之一个营，孤军奋战，营长阵亡，日军于当夜攻陷城池。日军继续南侵，矛头直指战略重镇益阳和宁乡。8日晚，日军第40师团两个联队在日军飞行第6战队的配合下，以一部切断益阳和宁乡间交通后，于11日合力猛攻益阳城。益阳守军为第77师和第19师，他们分别在郊外与城区进行阻击战。13日，日军从益阳城东角突入城内，益阳失陷。“七十七师去岁石门作战失利，损失过重，补充未齐，战力估计仅四个营，经此四昼夜之激战，已经伤亡营长二员，连排长等十一员，士兵七百余名”。[78]
日军占领益阳后继续南下，锋头直指宁乡。王耀武第24集团军已于6月9日奉令赶赴益阳、宁乡一线，伺机歼灭南下日军。所部第63、第51师曾进攻南县和沅江，以图“截其后路，牵制敌人南下”[79]，但未能阻止日军南下的步伐。14日晚，日军开始猛攻宁乡城垣，“窜犯宁乡之敌四五千，寒晚，向我凤形山、木鱼岭、月形山阵地猛扑……激战至亥，敌终不逞，乃分数股渗入城郊。”宁乡守军为第24集团军所部第58、第98师及第15师一部，其中张灵甫第58师所部4个营坚守宁乡城，该守军浴血奋战五个昼夜，“重伤官长计团长何罄、副团长罗英、团附蔡智锽、营长孙步武、宋纯龙，阵亡额外团附于金耀、营长王炎坍，暨伤亡连长、排长以下五十二员，且有因负伤而自杀者多人”。[80]17日，日军又使用大量毒气弹，突破第58师第173团防线，守军与日军展开激烈的巷战，团长身负重伤，仍指挥所部反复截击。与此同时，第58、第98、第194师及第19师等部队，在宁乡城北和城南对攻城日军发动反攻，日军伤亡数百。第40师团战前拥有120只护卫船，攻克沅江时就损失了90只。美国空军亦不断对日军发动攻击，仅6月18日一天就出动11架飞机的轰炸扫射日军。[81]由于张灵甫所部的浴血奋战，日军万余人，久攻宁乡不下，伤亡惨重，只得于23日分出一部兵力南下，协同湘潭日军合围湘乡。
中路日军进攻的重点在湘江东岸，日军第116师团强渡新墙河后，接连突破了杨汉域第20军、罗奇第37军等部的防线。5月30日，日军前锋已抵达汨罗江北岸。31日傍晚，日军在炮兵和工兵的协助下，兵分五路强渡汨罗江。中国守军利用南岸宽阔的河滩和悬崖构筑起坚固的网形防御阵地，埋设了许多地雷，并以猛烈的炮火扫射强渡之敌。激战两日，日军才得渡河，但损失很严重，仅第116师的一个联队就有中尉以下官兵36人被打死，4个中队的小队长职务，“均早由下士官代理”。[82]6月1日，日军终于渡过汨罗江。经过两天休整，从6月4日黎明起继续南下。在此之前，蒋介石于5月31日令第10军固守衡阳；暂编第2军防守株洲、渌口，以保护湘江通往衡阳的交通线；对长沙、浏阳、醴陵也分别下了死守的命令。
第116师团两个联队从新市东南12公里的栗山港出发，直扑长沙，8日占领长沙西北50公里的铜官，另一部于11日进抵长沙以东30公里的永安市，12日渡过浏阳河，向长沙正南20公里的易家湾突进，13日清晨占领易家湾；第68师团主力由金井向东南挺进，直逼长沙东北20公里的春华山。13日，该师团一部从镇头市渡过浏阳河，进抵长沙东南一线，另以一部直扑官庄，并向株洲以南40公里的昭陵迂回进击；第34、第58师团主力也于8日攻下湘阴，主力南下，并对长沙西面的岳麓山、马厂、龙潭一线发动进攻。尽管中国守军第20、第37、第99军等部队依托小青山、大摩山等阵地逐次抵抗，给日军以重大杀伤，但由于长沙已处于被日军合围的态势，中国军队有些军心涣散。6月14日，日军第116师团的先头部队3000余人进抵株洲东南一线，守军暂编第7师一触即溃，株洲被弃守。6月15日晚，日军第116师团第133联队从易家湾强渡湘江，准备向湘潭进击。湘潭附近的中国守军有丁治磐第26军所部3个师，不想在日军渡河时，中国守军“未作任何抵抗即行退却”。湘潭守军第32师于16日弃城而逃，日军得以兵不血刃占领湘潭。对于“湘潭附近的3个师轻易退却，竟放弃长沙背后的防守”，连占领湘潭的日军联队长黑濑平一大佐也感到困惑不解。[83]
实际上，军委会已看出日军合围长沙的战略部署。6月3日，蒋介石训令部队，“此次作战为国家存亡关键，亦我革命军人成功立业之时机，务望同心同德，上下一致，争取最后胜利。凡命令规定固守之阵地，不得擅自弃退，违者无论何人，一律照连坐法处置……”[84]
日军前三次攻打长沙，都是从正面直攻，而这次却采取了大迂回的战略，日军约6个师团从东西数路迂回包抄，先后占领或围攻汨罗、平江、浏阳、株洲、湘潭、宁乡、湘阴，将长沙团团包围。鉴于长沙战略地位极其重要，且日军前三次对长沙的攻击都以失败而告终，日军为此次攻略战作了非常周密的准备。在兵力部署上，由第58师团担任主攻市区的任务，因为该师团“为攻击拥有坚固堡垒的大城市反复进行了特殊训练”；而负责夺取岳麓山阵地的第34师团，则“事先在步、炮、空部队间商定妥善方法，紧密配合”。为了压制岳麓山中国炮兵的火力，第11军司令部专门从陆路和水路调来拥有18门150毫米重榴弹炮的野战重炮兵第14联队与拥有6门150毫米加农炮和12门100毫米加农炮的独立野战重炮兵第15联队，但这些炮兵部队在前往长沙途中遭到中美空军和步兵的阻击。其中独立野战重炮兵第15联队在霞凝港被中美空军炸沉运输船两艘，4门重炮沉入湘江，该联队15日将仅有的两门榴弹炮部署在长沙以北10公里处；野战重炮兵第14联队在汨罗东15公里的新市被中国军队两个师包围，第11军派军救援才得以突围，该联队直到17日才将加农炮安装在霞凝港以南4公里的大塘角，但此时长沙战事已经爆发。[85]在战略上，日军充分吸取以往遭受中国军队侧击的教训，东面先期攻占平江和浏阳，西面则试图攻占岳麓山西北的宁乡。这样，长沙城就被日军四面包围起来。
担任长沙守备任务的是张德能第4军，下辖第59、第90、第102等三个步兵师。该军为薛岳的嫡系部队，无论是武器装备还是人员编制均属上乘。此外，第9战区的炮兵指挥部也设在长沙，所部炮兵第3旅配备榴弹炮、野战炮、山炮、战车防御炮50余门，火力强大。战端甫开，薛岳自负地认为第四次长沙大捷即将到来，遂在岳麓山上设立战斗指挥所。等到日军围攻长沙的攻击态势明了，薛岳却转移到长沙南面80公里的朱亭。但他离去时并没有确定防守长沙城的最高指挥官，以致第9战区代参谋长赵子立、第4军军长张德能、炮兵指挥官王若卿互不统属、互不相让，从而造成多头指挥的乱象。步兵依照张德能的意见部署（实际上是执行薛岳的命令），将第59、第102师用于守备长沙城区（即湘江东岸），第90师部署在岳麓山外的银盘岭、望城坡、竹山口一线阵地。总体防守分成警戒阵地、前进阵地和主阵地，各以半圆形的态势展开。而炮兵的部署却争执不下，最后按照王若卿的意见，将口径大、射程远的重炮安置在岳麓山阵地，而口径小、射程近的则部署在长沙城附近，协助城区的防守。为了限制日军坦克、重炮和装甲车等重兵器的使用，守军将城外农田灌水、道路悉数破坏。
日军第11军司令官横山勇于15日晚下达命令，要求总攻于6月16日开始：第34师团及第68师团志摩支队（志摩源吉第57旅团3个步兵大队）攻击岳麓山阵地，第58师团进攻长沙城区。
日军第58师团于15日占领了长沙城南郊金牌岭、石马铺、狮子湾、乌梅岭一线外围阵地。但攻城时遭受来自岳麓山高地和城内野战重炮、山炮和迫击炮的轰击，直至17日夜半，攻击毫无进展。
日军第34师团和第57旅团从13日便已开始向银盘岭、望城坡以北地区的岳麓山阵地发起攻击。15日夜该部日军已经占领守军第90师的前沿阵地。为了配合陆军的攻城行动，日本第5航空军于13日和14日接连出动十余架飞机，对长沙东侧、岳麓山中国守军阵地和营房、城南守军军营进行轰炸，给守军造成重大杀伤。右翼日军第217联队的3个大队于17日凌晨向梅溪河以南的梅花山、桃花山阵地发动进攻，依靠数十架飞机的轰炸与扫射，终于18日下午攻占中国守军桃花山主阵地；中路日军第216联队3个大队于17日强度梅溪河，同扼守岳麓山北坡的第90师一部激战，18日晨冲上岳麓山山顶，控制了中国炮兵阵地，数十门大炮全部遭遗弃；左翼日军第218联队也于18日占领了岳麓山西侧的牛形山阵地；志摩支队3个大队于17日迂回至岳麓山南麓，攻占了金牛岭、仙人山一线阵地。日军攻占岳麓山后，以一部封锁湘江，切断长沙城守军与岳麓山守军的联系，并策应第58师团进攻长沙城区。[86]
岳麓山是全城的制高点，又是长沙城的一部分，加上拥有强大的炮兵火力，守军理应将防守重心配置于此。但张德能错误估计了日军的主攻方向，将两个师兵力用于长沙城防。及至岳麓山主峰云麓宫及炮兵阵地危在旦夕，第90师请求湘江东岸守军的支持。直到这时，张德能真正意识到岳麓山阵地的重要性，特别是在城区不能确保的情况下，那里是唯一的退路所在。于是决定“以59师、102师各主力乘夜西渡，增强（援）岳麓山，留该两师各一团死守长沙城”。[87]抽调命令是在夜间匆匆下达的，一些守军疑为退却，不待接防部队到达就涌向江边。“情况紧急，渡河未及。船舶、渡口、部队时间均未十分计划，渡河后之集中地点、指挥人员，亦未指派，以致秩序混乱、无法掌握，坠江溺毙者，不下千余”。[88]天明之后，日军以猛烈的火力袭击渡江的部队，此时秩序更乱，渡过江去的队伍亦无人指挥，不但没有进入新阵地，反而向衡阳方面溃逃而去。
此时，长沙附近的日军4个师团已全部投入到攻击守军残余阵地的行列。18日，轮番轰炸、扫射的日机达30余架，重炮部队的猛烈轰击中夹杂有不少毒气弹。湘江东岸的第4军所部完全溃败，余部近4000人退往邵阳。长沙城区的守军4个团，仅有千余人由北门冲出，最后退至茶陵，被第27集团军收容。[89]守军大部成了日军的俘虏。第4军数万名官兵，经过收容统计仅剩6500余人，该军从此一蹶不振。炮兵第3旅在岳麓山全部大炮约40余门、军野炮营野炮9门、山炮营美式新山炮12门均损失。“步枪损失十分之七，轻机枪损失十分之八，重机枪损失十分之九，迫击炮及通讯、防毒、工兵器材，全部损失”。[90]根据日军第11军的统计报告：中国军队死35400人，被俘111300人，日军缴获重炮10门，野山炮51门，机关炮29门，迫击炮69门，重机枪152挺。日军死1503人，伤3662人。[91]
此次长沙保卫战，中国参与作战的部队计有第99、第20、第37、第4、第58、第72、第44以及暂编第2军等8个军25个师，中日双方兵力和装备相差不大，但长沙城的陷落如此迅速，究其主要原因，除了第9战区各军之间缺乏协同与配合，最主要在于“第9战区军的主力……大部回避与我决战”。[92]部队指挥官指挥失当、官兵军心涣散等亦是重要原因。除了张灵甫率第58师坚守住宁乡、唐伯寅第19师收复益阳外，其余部队大多有保存实力的现象。第4军的几位谍报参谋在所报告书中详列了该军在长沙保卫战中失败的主因，涉及到指挥、教育、军纪、战术诸方面，凡17条。突出的有：（一）高级将官渎职、失职。“部队主官因营商应酬，脱离部队”，或“师各级主官忙于应酬，对部队训练敷衍塞责”，“忽略实弹射击演习，以致使士兵射击技术不精”，“战斗动作生疏”。第4军参谋长罗涛溪“未能辅助主官……战斗间未派员视察阵地，获得紧急情况，又不指示部下办理”。第90师师长陈侃数“失守岳麓山阵地，部队溃散”。（二）部队军纪废弛。“各级官兵擅入民房，攫取财物”；“红山头守备部队，当敌攻击时，尚在掩护部中赌牌，以致失守，影响全线战斗”。（三）部队军官贪腐严重。第4军军部副官处处长潘孔昭“假公济私，擅扣商船，重价勒索，以饱私囊，并将攫取之财物，用5艘火轮装出，致长沙战斗紧急，转用兵力晚，渡河困难，贻误不少”。[93]第4军军长张德能因擅自放弃长沙于8月25日被判处死刑；其余第59师第177团团长杨继震、军副官处长潘孔昭、军务处长刘瑞卿、副官处中校股长陈继虞、长沙船舶管理所长夏德达等，亦先后被枪决。[94]
三、日军“扫荡”湘江两岸
日军方面，虽然开战以来在广阔的战场上攻城略地，但并没能捕捉到中方第9战区的主力部队进行决战。为不给下一步进攻桂林、柳州时留下后患，第11军在进攻长沙的同时“立即着手准备部署下一期的会战：以一部分兵力向衡阳突进，在迅速攻占衡阳的同时，并搜索歼灭萍乡、醴陵、攸县方面东部山岳地带的重庆军”。中国派遣军司令部认为，“第11军虽力图歼灭第9战区军的主力，但敌军大部回避与我决战，尤其是敌军退避到了东面山岳地带，如不将其歼灭，对第二期作战向桂林、柳州方面进攻，则很难保证不留有后患”。于是，第11军于18日发布命令，“要以部分兵力乘敌战局崩溃，向衡阳挺进”。[95]日军判断中国军队主力之所以避开决战，“诱我深入”，是要等待第3、第6战区援军到达后再同其决战。[96]遂于占领长沙后，命令“第68、第116师团向衡阳突进，负责攻占该地”；原来预定向衡阳挺进的第3师团攻下浏阳后，“担当击溃来自第三战区增援部队”的任务；第13师团于攻克醴陵后，“向攸县、安仁方面突进，负责摧毁并攻占重庆今后进攻的据点”；湘江西岸的第40师团“负责阻止并击溃第六战区的增援，特别要在攻取益阳、宁乡之外，还要进而攻取湘乡”。[97]日军显然要在衡阳作战前，先对湘江两岸的中国军队发起扫荡作战。
6月20日，第9战区亦将作战计划作了修改：“国军以阻敌深入、确保衡阳为目的，以一部于渌口、衡山东西地区持久抵抗，以主力由醴陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东，夹击深入之敌而歼灭之。”按照这一作战计划，薛岳命令战区副司令长官兼第30集团军总司令王陵基指挥第72、第58、第26军迅速击破醴陵东北地区之敌，攻击日军主力左侧背；战区副司令长官兼第27集团军总司令杨森指挥第20、第44军先击破醴陵以北地区之敌，尔后转移到王陵基所部左翼，协力向西攻击日军；第27集团军副总司令欧震指挥第37军、暂编第2军及第3师在渌口、衡山间坚持抵抗，阻敌深入；第24集团军总司令王耀武指挥第73、第79、第99、第100军及第4军残部向湘江东岸敌后攻击；第27集团军副总司令李玉堂指挥第10军、暂54师固守衡阳；黄涛第62军仍为军委会直辖的预备部队，控置于衡阳西南地区待命。[98]
这样，中日军队于长沙会战后再度于湘江两岸展开激战。日军第11军转入追击态势，“在以向衡阳的挺进线为起点，连结醴陵、萍乡、攸县、安仁约30至60公里的外围一线，展开了对重庆军的搜索歼灭战”。[99]
湘江东岸的战事以醴陵一带的争夺最为激烈。6月中旬起，日军以第13、第3师团为主力尾追退向醴陵、萍乡方面的第26军等部。18日，第13师团一部攻占醴陵，次日即向萍乡方向实施追击。而第3师团除派出第68联队向攸县挺进外，师团主力亦向萍乡进击。醴陵失陷后，王陵基于20日组织部队反击。反击部队以第26军为基干，以第20、第72、第58军各一部相协同，“从湘东、美田桥附近”向醴陵进攻。[100]但在日军的穿插进攻下，处处告急，行为不能统一，一时无法奏效。至7月4日，中方第58军以3个师的兵力对醴陵日军发动猛烈攻击，“奉命守备醴陵的宫崎部队（以骑兵第3联队联队长宫崎次彦大佐指挥的联队和步兵第34联队的两个中队、山炮兵、迫击炮各1个中队为基干），自4日以来遭受优势的重庆军第58军的攻击。4日夜半以来该敌先来攻打塔岭，继而来攻仙岳山”。日军一方面将阵地收缩到醴陵周围，另一方面又从株洲和衡阳抽调1个辎重兵联队和1个步兵大队前往醴陵增援。日本防卫厅防卫研究所战史室：《一号作战之二：湖南会战》（上），第126页。塔岭等高地的争夺激烈异常，日军损失惨重，7月5日和6日两天的战斗，日军“骑兵联队的副官、两中队长和大部分小队长，均负伤或阵亡”。[101]这时，日军第13师团主力被迫经攸县、安仁、耒阳一线，最终撤向耒水西岸。但在浏阳集结的第27师团却又加入攻击的行列，自6月中旬以后，醴陵、攸县、萍乡、安仁、茶陵等地大多几经易手。
7月1日，蒋介石判断日军“似有夺取衡阳，打通粤汉路并窜犯桂林企图”，便要求各兵团“乘敌深入，后方空虚……用正面阻止及侧背猛攻而击破之”，并提醒各部“切忌分散兵力，处处设防，追随敌之行动，而自陷于被动地位”。[102]日军方面，第11军则要求各部抓住时机，围歼醴陵、安仁附近敌第9战区军的主力。兵力部署具体为：第34、第27师团在醴陵一带，第13、第3师团各一部在安仁一带，第3师团主力在茶陵，分别完成围歼中方第58、第72、第37、第20、第44等5个军共约18个师的任务。最终的结果是：双方都没有完成自己的战略目标。中国军队固然没能击破日军，但日军在中国军队不断的狙击和反击下，其围歼第9战区主力的图谋亦未能得逞。日军主力长时间在山岳地带左突右冲，又面临着中美空军的不断轰炸，后勤补给十分困难。7月中旬，仅用于开辟汽车道路的日军就有两个多师团，大大影响了部队的作战效力。
湘江西岸，日军第40师团主力于6月底开始突向永丰[103]，7月3日即攻陷该地。10日，中方第58师及第19师一部向永丰发起反攻，“我在空军密切协同下，官兵奋勇搏战……我逐区占领永丰市”，日军残部据守摒林、双峰山、金田桥、沙田铺一线。“是役毙敌三百余，掳获步、机枪廿九支，我伤营长一，伤亡连、排长九员，士兵二百余名”。[104]在此之前，第15师曾向盘踞湘乡城的日军猛烈攻击，第45团一部冲入城内后与守敌约一个大队展开“白刃格斗，敌我伤亡均重”，该团“伤毙敌约四百余，我亦阵亡四五团二营长李熙绩及连长两员，伤连长以下官兵[长]八员，伤亡士兵百六十余”。[105]12日凌晨，该师第45团和第43团，分别向湘乡城、朱津渡和岳麓山发起突袭，第43团一部突入云麓宫，“敌百余被我白刃格杀，毙伤过半，遂狼狈逃溃，当俘敌卅四师团二一八联队山崎少尉一员，并获步、马枪甚多”。[106]日军第40师团的任务主要是“保证进攻兵团侧背的安全”，7月中旬以后，鉴于中方军队开始集结衡阳西部的态势，其主力便“从金兰寺、永丰附近开往衡阳附近”。[107]
前已提及，湘桂作战是日军“一号作战”的核心所在。为了充分保证第11军打通粤汉线和扫荡湘江两岸第5战区主力，日军又令在上海方面的第13军“在金华正面采取攻势策应第11军初期的作战”。自6月上旬开始，第13军便令以第70师团为主力的共“8个步兵大队为基干的部队，开往龙游、衢县方面作战，歼灭当前的重庆军，牵制敌第3战区军，以利于第11军的作战”。[108]在前进途中，这股日军不时遭到中国军队的阻击，至汤溪镇—龙游一带时，遇到中方第26、第79两个师的顽强抵抗。在狮子山高地，中国守军击毙了第70师团第62旅团旅团长横山武彦少将。[109]12日，日军主力占领龙游县城。同时，中方部队由龙游西南一带猛烈反攻，日军大队长以下官兵伤亡甚多。此后，日军主力不顾伤亡，直扑衢县，在衢县及其西南一带的中国军队计有第26、第146、第105、第79等约5个师的兵力，准备合围日军，但旋即在日军先发制人的打击下纷纷败退。25日，日军迫近县城，次日晨“冲入衢县城东南角、随后夺取南门、北门和东门，将败走的敌人逼到西北城角，约有2000敌军被歼灭在水边”。这时，日军第11军早已攻下长沙，并推向衡阳，第13军已达到了既定的目的。27日开始，第70师团“从衢县附近返回金华及兰溪附近集结”。[110]
这样，日军第40、第70师团的作战分别阻止了中方第6、第3战区对第9战区的支援，而第9战区部分兵力又在湘江两岸与日军成胶着状态。整个湖南战场的中心便移到对战略重镇衡阳的争夺上来。
四、血战衡阳
日军在攻陷长沙后的下一步，是想以追击战的方式由正面一举拿下衡阳。第68师团由长沙经株洲、渡渌水，沿铁路以东南下；第116师团也向南急袭衡阳。中国方面由李玉堂兵团在衡阳一带担任防守，其作战指导思想是在固守衡阳市郊的同时，以一部控制在两翼，“待敌渡过湘江及蒸水进犯时，由内外夹击，将敌压迫于湘江西岸及蒸水南岸而歼灭之”。[111]第9战区主力部队的部署，也是将重点放在对日军各部的侧击和尾击上。但由于湘江两岸的中国军队溃败太快，所以各路日军在南下时遇到的阻力较小，很快就推进到衡阳近郊。6月23日，第68师团于衡阳附近渡过湘江和耒水，开始对衡阳外围的中国守军进行攻击。次日，第116师团到达衡阳外围，两师团协同从城南方向发动进攻。中国军队夹击的计划不但成了泡影，衡阳本身亦处在被围的状态之中。
衡阳城地处湘江、蒸水、耒水合流处，市街狭长，呈长方形，总面积仅为1平方公里左右，但地理位置却极为重要。湘江在此容纳了耒、蒸两水：耒水向东蜿蜒而北，在城区东北角注入；蒸水则在城区北面由西向东汇合。由于水运十分方便，衡阳历史上便是湖南重要的物资集散地。湘江东岸有美军在粤汉线上最大的飞机场——衡阳机场，这是美军在中国东南地区的最重要的空军基地之一。粤汉铁路则横跨湘江，西达桂林，延伸到柳州又可与黔桂路接轨。铁路、水运之外，衡阳也是大后方通往东南各省的公路枢纽，因而衡阳城就成了中国南方南北交通的要道，更是进入桂、黔、川、滇四省的门户，自然便成为中国军队战略上防守的要塞，亦是日军完成“一号作战”计划所必须夺取之目标。衡阳地形极利设防，西、南两面有丘陵围绕，东、北两面环水，不能徒涉。虽然西、南两面有路入城，但城南宽阔起伏的山丘会令攻城部队面临灭顶之灾；而城西除山地外，还有水网密布的沼泽地，机械化部队运动极为困难。
早在5月29日，第9战区长官部就命令“第十军军部及一九〇师、预十师开往衡阳，修理加强衡阳东西两岸战略据点工事，并指挥暂五四师固守衡阳”。[112]是日夜，蒋介石亲自打电话给第10军军长方先觉，要其坚守10天到两周时间，以消耗日军兵力，并配合外围部队内外夹击，将日军主力消灭在衡阳周围。[113]第10军下辖第3、第190、预备第10等3个师以及野炮兵、反坦克炮兵各一个营，还有一个山炮连。此外，在衡阳的新编第19师与暂编第54师也归其指挥。该军编制虽多，但战斗力并不强，因为该军还没有从常德会战的重创中完全恢复过来。其中第190师因为正在整编，实际只有约一团的兵力；暂54师在常德会战后被缩编成两个团，5月初又分调兵力去各大机场担任守备任务，在衡阳的兵力也只有1300余人。由于各部队编制残缺不齐，整个守城的5个师兵力，加起来才有17600余人。[114]第10军的兵力配置大致是：第190师、暂54师守城北湘江东岸；新19师守城西；预10师守城东、城南；暂54师之一个团守飞机场，第3师守备外围之下摄司附近。自6月初开始，各师用20多天时间加固、修补或新构工事，充分利用丘陵、河川、城墙等自然地形，将衡阳建成为一个坚固的据点。坚固的防御工事，在衡阳保卫战中起了较大作用。“日本军官曾认为那是中国八年抗战里初次出现的最好的防御阵地”。[115]
6月23日，第10军炸毁了湘江铁桥。同日夜，日军第68师团太田贞昌旅团主力3个大队、配属独立山炮兵第5联队的2个大队，共约5000人，从衡阳以东20公里的泉溪市强渡耒水，向第190师的防守阵地发起攻击，拉开了衡阳保卫战的序幕。该股日军的10余只船在半渡之际，遭到守军炮火和机枪的猛烈扫射，全部被击沉。24日，该旅团主力冒着美军军机的猛烈炮火渡过耒水，25日夜又从东阳渡以西渡过湘江，从西南面进攻衡阳城。与此同时，第68师团一个大队千余人直接奔袭衡阳机场，因为日军观察到“衡阳上空时常有P-40飞机6架盘旋，时而见到大型飞机起飞、降落”。[116]25日，日军开始攻击机场南侧的五马归橹（泉溪市以西7公里）的阵地，守军“抵抗甚为激烈，进攻无何进展……第一线的步兵中队逐渐接近堡垒进行肉搏，以图夺取阵地，但面前为据点式的坚固阵地”。日军随即派一个步兵大队增援，并改变进攻路线，于26日拂晓从阵地左侧的水田地带进入衡阳机场南端冲入机场，经过激战，于当天傍晚占领衡阳机场。[117]
日军第116师团主力亦从衡山附近的白果市向衡阳突进，27日进抵衡阳以西二十公里的三塘附近，迫近了预10师的防御阵地。
这样一来，湘江东岸的防守便无多大意义。蒋介石于6月25日令饬方先觉第10军“所属各师决心死守衡阳”。[118]为了集中守城，方先觉决定放弃湘江东岸阵地，将第190师和暂54师全部撤回城区，以防为敌各个击破。至27日，江东守军纷纷“移守衡阳城”。是日，日军第68师团与第116师团在衡阳南部会合，商定于28日从南西两面同时发起总攻，一举拿下衡阳城。
28日零时开始，日军发动总攻，随即在守军的坚强防守面前败下阵来。10时30分左右，在衡阳南侧高地前的日军第68师团的指挥部遭到预10师第28团迫击炮的集中轰击，师团长佐久间为人中将被炸成重伤，当即抬离战场，同时被炸伤的还有参谋长原田贞三郎大佐等。此后该师团由第116师团师团长岩永汪中将统一指挥。[119]
随后，日军将攻击目标集中在城南方面，试图从预10师的阵地上打开缺口。“岩、佐两部队正极力攻打衡阳城，敌军每当放弃据点时都采取焦土战术予以焚毁，现在也同样，市街的四分之一已被烧毁……在衡阳南侧及西侧敌阵前方，利用无数的湖水构筑有很多火力点……敌方的野山炮、迫击炮相当活跃。”[120]
日军的总攻击发动之后，预10师之第28团坚守五桂岭等处阵地，官兵伤亡惨重。30日，五桂岭南端阵地守军的1个连全部被日军施放的毒气熏死，但日军被击毙和触雷而死的也有数百人之多。第30团则固守张家山高地及其阵地，这是“在防守衡阳主要抵抗阵地最前线上最高的一座孤立的山，它与岳屏高地共同构成阵地的骨干。因而重庆军在此筑有相当坚固的阵地，但只有一处能够容100人的钢筋混凝土的洞穴掩体，其他阵地都是最近构筑的野战阵地”。[121]7月1日5时起，日军以步兵炮和速射炮猛烈轰击，随即发起冲锋的日军步兵第133联队（属第116师团）自常德会战以来从未在进攻中受过挫折，这次却死伤惨重，败下阵来。他们先是遭到守军迫击炮的轰击，而后则屡次被中国官兵从壕沟里掷出的集束手榴弹炸退。一直战至黄昏，日军进攻毫无进展。于是联队长黑濑大佐又命令第2大队协助第1大队夜袭“24”山顶，日军于2日凌晨1时偷袭成功，占领“24”山顶。但该股日军旋即遭遇到中国军队的反击，“顶上一片混乱，第1大队大队长及所率官兵几乎全部战死，第2大队大队长也腿部负伤，山顶未能保住”。被炸死的是第1大队大队长大须贺大尉。[122]第10军方面，先是第2营伤亡营长以下官兵70%以上，其后又是不断地增援，不停地伤亡。至7月2日，高地易手达20次以上。师部派来增援的工兵连伤亡30%以上，工兵连长黄仁化负伤不退，拉响最后一颗手榴弹与日军同归于尽。该处守军已再无兵力补充，残余伤病员沿交通壕相继撤走，但日军却也因弹药用尽不得不停止进一步的攻击。其后，日军变全面进攻为重点进攻，仅由小股兵力实施炮击或冲锋，以掩护大兵团的粮弹补充，待机而动。
7月初，日军得到了火炮和弹药的补充，空军也频繁地出动。3日至6日，在日军炮击和飞机轰炸下，城郊阵地几处被毁，城内各处的建筑物昼夜燃烧，守军屯集的弹药多被焚毁。第10军在奉命守城时，只储备了半个月的粮弹。连日战斗的消耗和日军的轰炸，使得守军的处境更加艰难：步枪子弹已消耗了20%，手榴弹消耗三分之二，各类炮弹则消耗了80%以上。11日起，日军将攻击重点放在城南偏西方向，开始对衡阳的第2次总攻击。日军飞行第44战队，连日“炸毁紧靠第68、第116两师团第一线的敌炮兵阵地和重武器阵地”；步兵第120联队3000余人在野炮兵第122联队和独立野炮兵第2联队强大炮火的支援下，进攻“X”高地。“从6月28日以来即屡次进攻，终于在今（11日）晨8时30分才能夺取了该高地”。[123]
在日军炮兵的攻击下，守卫江西会馆的第28团之1连官兵全被炸死。次日，守备外新街的1连官兵与窜入之敌逐屋争夺，最后仅剩3人，援军赶到后，这股日军自大队长以下全被消灭。第30团方面，继续与日军围绕张家山高地展开激烈争夺，双方均迭次增加兵力，师部守备连全部阵亡，军部工兵营的两个连也伤亡将尽，张家山阵地最终失守。第29团方面，与日军在虎形巢展开激战，该处与张家山一样，同为西南主阵地的大门。日军在11日、12日两夜的攻击被击退后。13日晚的攻击更加凶猛，守军第2营以手榴弹居高临下展开攻击，连续打退敌4次攻击，营长阵亡，全营伤亡四分之三。次日，双方争夺更加激烈。15日，虎形巢终于失守。到此，预10师第1线的3个团兵力伤亡将尽，但日军的攻势却没有减弱。16日，日军又占领了肖家山高地等据点，守军被迫改守第2线阵地。但岳屏高地和五桂岭一带高地直至7月中旬仍为守军固守。进攻岳屏高地的为日军第34师团受过特训的一个大队，但未能奏效。五桂岭制高点的争夺更为激烈，日军突破一个口子打进来，守军就再从这个口子把敌人打出去，最后连运输兵、炊事兵都上了火线。
第二次总攻击中的日军损失亦同样惨重。步兵第133联队的第5至第8中队军官全部被击毙，大队长战死3人。日军已没有能力继续攻击第2线阵地，20日，日军的第2次总攻又不得不停顿下来。
两次进攻衡阳未下，尤其是严重的伤亡，给日本军界上层的震动较大。横山勇认为衡阳固然要攻取，湘江东岸莲花、茶陵一带山地里的第9战区主力更要打击，这不仅是为了掩护正面对衡阳的攻击，更重要的是为日后的桂柳作战提供方便。况且，横山勇根据以往作战的经验，认为中方的野战军主力被击溃后，衡阳将不攻自破。但日军大本营方面却不满意横山勇只用两个师团攻击衡阳，而要其以主力尽快攻占该城。因为是时日军在太平洋战场上连遭惨败，首相东条英机只能靠陆军在中国表现出成绩，以维持其统治，若衡阳之战继续胶着，其内阁就要崩溃了。[124]因此，日第11军便重新开始调整湖南战场上的兵力部署。除原有的第68、第116师团外，命令第58师团一部（配备加农炮、榴弹炮各3门）重新加入对衡阳西北及北方的进攻。第40师团及第13师团亦各抽调一部分兵力投入对衡阳的攻击。此外，第34、第27、第3师团也分别受命南下，参加即将到来的第3次对衡阳的总攻击。
在中国方面，蒋介石也于7月22日变更衡阳外围援军的部署：（一）我衡阳外围援军，应集中全力，先突破衡永公路附近之虎形山及汽车西站以西敌人阵地，再图扩张战果。（二）第62军应以一部监视衡阳南侧之敌，集中步炮主力，于黄泥坳附近，向虎形山及其东南地区之敌阵地突击。突二纵队即沿公路由黄泥坳西南地区，向汽车西站、虎形山方面推进，归入黄军长之指挥。（三）第79军应集中主力，由贾里渡方面向汽车西站以西之敌阵地突击，以收夹击之效。（四）第63师主力应攻占望城坳，以策应各军之作战。（五）空军应集中力量轰炸虎形山及汽车西站以西之敌阵地，期发挥陆、炮、空协同战斗之全力，得突破之迅速成功。[125]7月27日，蒋介石再要求外围各部队“应趁后续部队之到达，先将鸡笼街之敌歼灭，继续增援前线，击破衡阳以西地区敌人，以贯彻打开敌围，与第10军会合之目的”。[126]
进入7月底之后，衡阳城内中国守军的情况更加艰苦。第10军经过1个月的战斗，军部直属队伤亡三分之二，预10师伤亡90%，第3师伤亡70%，而第190师仅剩400余人。8月1日，方先觉致蒋介石电中谈及守军的痛苦情况：“职不忍详述，但又不能不与钧座略呈之：一、衡阳房舍被焚被炸，物资尽毁，幸米盐均早埋藏，尚无若大损失；但现在官兵饮食，除米及盐外，别无若何副食，因之官兵营养不足，昼夜不能睡眠，日处于风吹日晒下，以致腹泻腹痛转为痢疾者，日见增多，既无医药治疗，更无部队接换，只有激其容忍，坚守待援。二、官兵伤亡惨重，东抽西调，捉襟见肘，弹药缺乏，飞补有限。自午卅辰起，敌人猛攻不已，其惨烈之战斗，又在重演，危机隐伏，可想而知！非我怕敌，非我叫苦，我决不出衡阳，但事实如此，未敢隐瞒，免误大局。”[127]
日军经过10天的充分准备，于8月4日开始了第3次总围攻。在横山勇的亲自指挥下，投入了5个师团的兵力和100多门大炮，试图在1天之内拿下衡阳。城西南阵地仍为争夺重点。守军因炮弹用尽，无法还击，任由日军轰炸，但随后突击的日军仍无法冲破守军手榴弹和刺刀的抵抗。预10师全体伤亡将尽，该师第30团第1营官兵有450人，战后伤病痊愈者仅20余人[128]，防线便由第3师接替。五桂岭、天马山、岳屏山等处高地争夺最为激烈，守军第7、第9两团的团长负伤，士兵伤亡更重。日军亦同样死伤惨重，第116师团的第109联队就有3个大队长被守军击毙[129]；8月6日，在进攻岳屏山高地的战斗中，第68师团第57旅团旅团长志摩源吉也被中国守军狙击手“打穿头部”而毙命。[130]第58师团在武汉特别训练的手榴弹荣誉投弹手全部伤亡。
8月6日，一股日军自城北撕开了城防的缺口，突向市中心，激烈的巷战随即开始。7日，横山勇命令所有的野战重炮、加农炮、榴弹炮不惜消耗全部弹药轰击，空军亦全力协助，一时衡阳城内猛烈的爆炸声震耳欲聋，四处火光，阵地掩体飞散，建筑物全塌。接着，日军步兵全线压上，从小西门等突破口不断涌入市内。这时，方先觉和4位师长联电蒋介石：“敌人今晨由北城突入以后，即在城内展开巷战，我官兵伤亡殆尽，刻再已无兵可资堵击，职等誓以一死报党国，勉尽军人天职……此电恐为最后一电，来生再见。”[131]战至当日中午，西南阵地仍在拉锯，日军仍无法越雷池一步。但至黄昏，守军第3师第9团却首先在天马山高地上竖起了白旗。随即，各阵地亦相继停止了抵抗。晚间，方先觉派参谋长孙鸣金等两人前往日军第116师团的前线指挥所取得联系，商定了投降事宜。次日凌晨，方先觉率领第3师师长周庆祥、第190师师长荣有略、预10师师长葛先才、暂54师师长饶少伟等前往日军第68师团司令部向师团长堤三树男投降。持续47天的衡阳保卫战，以中国守军的无条件投降而告终。[132]
城陷次日，衡阳西北方出现了中方的机械化部队，但为时已晚。中美空军发现该城已失陷，足足轰炸了两天时间，结果使第10军近千名伤病患者为炮火埋葬。整个衡阳保卫战，中方守军伤亡15000余人，其中阵亡7600余，重伤2600百余，被俘后遭杀者甚多。日军方面自己承认其死伤19380余人，高中级官员战死者390人，负伤520人。[133]是役大大推迟了日军打通粤汉路的时间。
衡阳守军在激战时，湘桂路及该城外围集结的中国军队共有8个军，不下10万人。蒋介石数次电令外围的部队去解衡阳之围，但最终均未成功。第62、第19两军的解围之战始于7月中旬，其后第46、74两军各一部也到达郊外。18日，第62军一部攻至离城仅5公里处，争占了雨母山高地。20日，又以3个营的兵力占领了衡阳火车南站。但日军随即发起反击，第62军迅速后撤，此后再也无法同城内守军联系了。在军委会、蒋介石的一再催促下，各军不断与日军交火，雨母山、尖锋山、鸡窝山等高地均几度易手。第62军伤亡惨重，副团长以上军官多名阵亡，攻击尖锋山高地的1个营几尽全军覆没。日军亦有惨重损失，在中方军队的连日攻击和空军的轰击之下，第40师团的第234联队有的中队仅剩2人，最多不过24人。援军与敌军在郊外成对峙姿态，最后坐看衡阳失守。非但如此，这些解围部队在城内守军投降后来不及重做调整，都陷入了被动挨打的局面之中。
自5月27日至8月8日，长沙衡阳会战前后历时70多天。双方的人员伤亡，按国民政府军令部的统计，日军为66809人（死1925人），中方则为90577人（阵亡49370人）。[134]会战结果给中国方面带来的损失是灾难性的。平民百姓的生命财产固然无从确保，国统区又失去了一个重要的粮仓。滨湖地区和湘江流域的稻谷产量占湖南全省的近70%，棉产量年均也在50万担以上，它的沦陷使得西南等地的军民衣食大成问题。抗战伊始，沿海沿江一带的工厂大量地迁来湖南，其数量仅次于四川。1944年仅衡阳一处就有57家工厂，其机械、冶金、电气、水泥、纺织、造纸、酒精等类的生产在国统区占相当分量。[135]祁阳还有当时中国唯一的一家汽车发动机制造厂。战事发生后，这些工厂不及再作迁徙，大多被破坏或成了日军的战利品。除此之外，湘省的锑、铅、锌、锰等矿产均占全国首位，锑的储藏在世界驰名。早在日军策划“一号作战”时，就将掠夺湖南的矿产资源考虑在内，这时自然悉数占领。
整个会战期间，中方先后投入的兵力有16个军，40多个师，近40万人。日军的参战人数约为10个师团15万至20万人。广大士兵和中下层军官在爱国热情的驱使下表现出大无畏的精神，中美空军也完全掌握了制空权，日机仅能在傍晚或拂晓行动。但会战结果却是中国方面最终未能扭转形势，究其原因，这是由于上层政治、军事方面的人为因素造成的。
长衡会战发生之时，世界反法西斯战线到处都是凯歌般的进军，日军失败已是大势所趋。对蒋介石来说，首先考虑的已不是对日军的积极出击，而是主要在准备战后权威的确立。共产党力量的勃兴，当然要尽力对付，国民党内非嫡系派别的活动，也需要防范。在这样的思想指导下，同日军在真正意义上展开决战便无从谈起。薛岳的长沙、浏阳决战计划，是在考虑到其他战区兵力配合的基础上作出的，但蒋介石在5月31日的来电中不仅不让第4、第7、第6战区的兵力加入决战，连第9战区原有的第10军、暂2军亦不能用于会战。[136]衡阳战事方殷，蒋介石的代表对美国人将租借物资分配给薛岳的部队大为不满——“因为蒋对他的忠诚有怀疑”。[137]该城坚守40多天，中国军队在其周围的军队曾达约10个军，但统帅部从未有效地决战。军事实力的保存，在蒋介石看来才是首要任务。
对广大士兵来说，许多人凭借爱国的热情在作战，他们连最基本的生活待遇都得不到维持，甚至连生命安全也难以保障。至于役政上的弊端，更是罄竹难书。此次会战期间，第62军“进至衡南两日不得饱食，影响战局极大。即一般部队，粮食亦多系就地设法，甚少由后方追送者”。[138]兵员素质的基本情况必然又影响到军民关系。在第9战区自己所作的会战检讨中，就专门谈及军队的“纪律废弛，战志不旺。整个战场，我军多为退却作战，军行所至，予取予求，民不堪扰，而部队之逃散，尤甚惊人”。[139]
在此次衡阳保卫战中，中国守军的广大士兵和中下级军官，在爱国热情的驱使下，同仇敌忾，奋不顾身，可歌可泣。日军迫近衡阳前夕，城内的非战斗人员已经疏离一空，但仍留下了数百名男女民夫和船民。他们为前线送弹药、修工事、缝补、洗涤，许多人在战斗中献出了生命。
需要一提的是，美国空军为守城部队提供了重要支援。在5月上旬，即“一号作战”开战前，中美空军在第一线的战机数量为2:1，即中美有520架飞机（美空军340架、中美混成100架、重庆空军80架），而日本空军第一线作战飞机数量只有230架。但6月中旬长沙保卫战时，中美飞机数量已达到600架，日本空军飞机数量却已减少为220架。到湘桂作战时，在战场作战的中美飞机数量进一步增加。[140]尽管日美空军在制空权上时有争夺，但美机此时已经占有优势。美国空军对衡阳守军的支援，一方面表现为对日军炮火和步兵进攻的压制，更重要的还是对日军的水陆补给线进行了不断的轰炸和扫射。中美空军通过6～7月份的空战和两次对日军岳阳机场的袭击，击落和炸毁了大量日机。
就战略战术来讲，不论是长浏会战还是衡阳会战，中国军队实际上都是沿用传统的集重兵于两翼的侧击计划。但日军这次的进攻却是大规模的宽正面多路突击，又有纵深的部署，致使中国军队的侧击计划无一不被瓦解。中国军队由于参战系统很多，指挥极度紊乱。蒋介石本人素来就有越级指挥的习惯[141]，这次非但自己出面，侍从室主任林蔚也在替他自重庆指挥。而远在桂林方面又有白崇禧的代劳（6月26日副参谋总长白崇禧来桂林协调指挥衡阳一带的军事）。薛岳、李玉堂自然都可指挥其下属，身在广西的张发奎也同样可以直接指挥前来衡阳解围的部队……这样在“不统一、不专一”的指挥下，往往是前后矛盾，左右失调，部队无所适从。加之后抵前线步兵的装备低劣；“师以上兵团（一般仅有一部迫击炮），几全为步兵兵器，山炮以上之重兵器甚少配属，故萧家山、水口山、金兰寺等要点之敌，始终顽抗。八月八日，我战车向衡西突击，亦已感炮兵火力不足，未得效果。再近战兵器之手榴弹，常不发火，有多至十分之八者”。[142]最终失败的结局便无可避免。
