衡阳防卫的守军其实只有不到一个月的时间设防，方先觉带著参观团到修工事的阵地参观，发现修工事的只有士兵而没有将官，他吼了一嗓子，问将官到哪儿，那一些将官才从士兵中站出来集合。
　　 方先觉把阵地上的丘陵削成六米多高的绝壁，逼著日本人用梯子往上爬，再用手榴弹去炸进攻的日本士兵。
　　 方先觉规定重机枪一律不得用于正面，必须要以侧攻击，并且不到关键时刻不得啟用，有效地保护了重武器，最大程度地发挥了重武器的威力。
　　 当时日军的尸体打到最后都堆到了机枪口，严重地影响了机枪的视线，只得用机枪把尸体打烂。
　　 日军扔炸弹打炮华军的士兵就躲起来，等到日军士兵冲到跟前再用手榴弹狂炸日兵，二军士兵纠结到一起，日军的炮兵、飞机就发挥不了作用。中间狂扔手榴弹，二边机枪狂扫，结果日军的伤亡十分惨重。
　　 迫击炮把日军六八师团指挥炸瘫痪实属巧合，但是在作战中的确也发挥了很大的作用。中国军队在野炮的数量上是远不及日军，不得已，只有用唯一的国产迫击炮与日军周旋，弹药缺乏的情形，较日军更加的严重，为了节约炮弹，平时严格实施炮手的瞄准训练，日军第一线将校的伤亡，大多都是华军迫击炮兵的杰作。
　　 此役日军被击毙的第五十七旅团长志摩源吉少将就是被迫击炮直接击中腹部。步兵到处地展开了惨烈的冲杀，在第一线挥动著军刀指挥官兵冲杀的勇将吉摩源吉少将，被华军的迫击炮弹自腹部贯穿而身亡。
　　 衡阳周边的丘陵地，基部尽数已经削成断崖，华军士兵们以手榴弹自上向下，作准确而远距离之投掷，使得日军蒙害甚大。在衡阳战役中，日军第六十八及一一六两师团，各步兵连的兵力，平均减至二十名官兵，伤亡之惨重，华军的手榴弹是主因。
　　 华军将士用命，方先觉身先士卒，上下一心。当时衡阳缺少医药，野战医院也被日军战机炸毁了，所以伤患不下战场，重伤患直接在战场死掉，而轻伤患用盐水洗一下伤口就继续投入战斗。要么战斗、要么死去，没有人是投降的。
　　 在四十多天的激战之中，华军士兵们没有一个士兵向日军投降，实为中日战争之中从未有听闻的。
　　 前方的士兵打仗，后面的幕僚人员也没有閒著，他们用石头把閒置的八二炮弹手工磨成八一炮能用的炮弹，双手鲜血淋漓，可说是众志成城，同仇敌愾。
　　 美国飞机的狂轰滥炸给日军的补给线造成了巨大的压力，中国士兵至少还有烧焦了的米可以吃，而日军曾经一度连树皮都没得啃。运输机空投的食品和弹药也保障了守军士兵们的基本需求。
　　 七月下旬，日军打通了长沙到衡阳的运输线，搬运了三十六吨的炮弹到衡阳的城下。
　　 日军第五十八师团抵达衡阳的北门，第四十师团抵达衡阳西北部，第十三师团一部分补充损失惨重的六十八师团，另一部分抵达东门。
　　 炮兵第二联队，独立山炮第五联队，山炮第十九联队等重炮部队也抵达衡阳的周围。
　　 八月二日，中国空军两次向衡阳城内投下蒋氏的手令，命令方先觉守军坚守衡阳城待援。三日，日军对衡阳城大肆的轰炸。四日，日军发动了第三次的总攻击，以飞机大炮向核心阵地和市区狂轰滥炸，四个半师团的日军从南北西三面猛攻核心阵地。
　　 日军发动了第三次攻击，此次横山勇亲临衡阳前线指挥作战。日军除了步兵炮兵之外，参战的还有轰炸机第六、第十六、第四十四三个战队和战斗机第一、第八两个飞行团。
　　 日机一直从午夜炸到拂晓，飞机轰完大炮轰，大炮轰完步兵冲。但冲上来的步兵很快就被手榴弹炸回去。
　　 日军看到白天进攻艰难，就改为夜间偷袭。第一一六师团组织的突击队刚刚摸入阵地，还没有站稳就被隐蔽在两侧的重机枪封住了回路，结果被手榴弹炸了个稀巴烂。
　　 第六八师团一清早发动的冲锋，扑上了一块高地，立即被华军守军的火力压制，趴在地上既前进不得又退不下来。师团赶紧炮火支援，轰击华军，又组织了两个大队的兵力发动冲锋，救援被压制在高地的部队。
　　 华军以狂风暴雨般的扫射将这两个大队的中队长、小队长全部击毙，士兵死伤惨重，冲锋又告失败。其它几个师团的进攻，也都被打垮了。
　　 恼羞成怒的横山勇看到步兵冲不下来，就又命令炮兵轰。但是华军守军没有被炸垮，跟冲上来的日军肉搏战在一起。第五十八师团终于突破防守较弱的北门，与华军发生了激烈的巷战。
　　 方先觉用唯一的电台给委员长蒋氏发报：“敌人今晨已经由北门冲进来了，城内已经无可用的弹要以及可增援的士兵，情况是危急万分。我等只有一死为国，来生再相见了。”
　　 七日，敌机和炮兵继续进行轰炸、扫射和施放毒气，日军步兵则趁机攻入阵地，日军发现守军阵地竖起白旗，晚上守军部队接连放下武器，第十军参谋长孙鸣玉与日方接洽停火事宜。
　　 方先觉与日军签署了停火协议，方先觉被俘后向日军提出了三项要求。保证生存官兵的安全，并让他们休息；收容伤患给予以治疗，并郑重埋葬阵亡的官兵；守城的官兵绝不会离开衡阳城。
　　 日军接受方先觉的部队投降，但拒绝他的条件，方先觉最终接受无条件投降。八月八日，衡阳陷落。
　　 战争结果日本战史称，此役牺牲之大，令人惊骇，是一场苦难的战役。在衡阳之战，中国军队伤亡约一万五千人，阵亡有六千多人。日方统计，此役日军伤亡将近两万人。
　　 日本战史承认，此役牺牲之大，令人惊骇，不独严重地妨碍了打通大陆的日程，并且遭受了重大伤亡，是一场苦难的战役。
　　 华军第十军英勇顽强坚守衡阳城四十七昼夜，迟滞了日军打通大陆交通线的进程，歼灭了大量日军，表现了中华民族不怕牺牲，抗击外敌的崇高精神。日军战史称：方先觉为驍勇善战的虎将，第十军寸土必争，孤城奋战的精神，实在是令人敬仰。
　　 中国军队勇敢作战的情形，不仅让日军敬佩，就连日本天皇和大本营都已有所闻。
　　 方先觉的第十军，总兵力不过是一万八千人，实际作战兵力不到一万五千人，奋力抗击日第十一军五个师团将近十万人的兵力。歼敌数倍，以一万人的伤亡，毙伤了日军二万多人，使得日军第十一军六八师团，一一六师团这两个主力师团一度丧失了作战能力。
　　 痛击了日军将领，击毙了日军六八师团长佐久间为人中将，先是迫击炮击伤，后在回运武汉途中死亡。击毙了六八师团第五七旅团长志摩源吉少将，击毙伤了日军官九百一十人，其中击毙有三百九十人。
　　 孤城苦守，在孤立无援的情况下，第十军死守了四十七天，彻底粉碎了日军妄想在三天拿下衡阳的战略意图。