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六十八及一一六兩師團，各步兵連的兵力，平均減至二十名官兵，傷亡之慘重，華軍的手榴彈是主因。
華軍將士用命，方先覺身先士卒，上下一心。當時衡陽缺少醫藥，野戰醫院也被日軍戰機炸燬了，所以傷員不下戰場，重傷員直接在戰場死掉，而輕傷員用鹽水洗一下傷口就繼續投入戰鬥。要麼戰鬥、要麼死去，沒有人是投降的。
在四十多天的激戰之中，華軍士兵們沒有一個士兵向日軍投降，實為中日戰爭之中從未有聽聞的。
前方計程車兵打仗，後面的幕僚人員也沒有閒著，他們用石頭把閒置的八二炮彈手工磨成八一炮能用的炮彈，雙手鮮血淋漓，可說是眾志成城，同仇敵愾。
美國飛機的狂轟濫炸給日軍的補給線造成了巨大的壓力，中國士兵至少還有燒焦了的米可以吃，而日軍曾經一度連樹皮都沒得啃。運輸機空投的食品和彈藥也保障了守軍士兵們的基本需求。
七月下旬，日軍打通了長沙到衡陽的運輸線，搬運了三十六噸的炮彈到衡陽的城下。
日軍第五十八師團抵達衡陽的北門，第四十師團抵達衡陽西北部，第十三師團一部分補充損失慘重的六十八師團，另一部分抵達東門。
炮兵第二聯隊，**山炮第五聯隊，山炮第十九聯隊等重炮部隊也抵達衡陽的周圍。
八月二日，中國空軍兩次向衡陽城內投下蔣氏的手令，命令方先覺守軍堅守衡陽城待援。三日，日軍對衡陽城大肆的轟炸。四日，日軍發動了第三次的總攻擊，以飛機大炮向核心陣地和市區狂轟濫炸，四個半師團的日軍從南北西三面猛攻核心陣地。
日軍發動了第三次攻擊，此次橫山勇親臨衡陽前線指揮作戰。日軍除了步兵炮兵之外，參戰的還有轟炸機第六、第十六、第四十四三個戰隊和戰鬥機第一、第八兩個飛行團。
日機一直從午夜炸到拂曉，飛機轟完大炮轟，大炮轟完步兵衝。但衝上來的步兵很快就被手榴彈炸回去。
日軍看到白天進攻艱難，就改為夜間偷襲。第一一六師團組織的突擊隊剛剛摸入陣地，還沒有站穩就被隱蔽在兩側的重機槍封住了迴路，結果被手榴彈炸了個稀巴爛。
第六八師團一清早發動的衝鋒，撲上了一塊高地，立即被華軍守軍的火力壓制，趴在地上既前進不得又退不下來。師團趕緊炮火支援，轟擊華軍，又組織了兩個大隊的兵力發動衝鋒，救援被壓制在高地的部隊。
華軍以狂風暴雨般的掃射將這兩個大隊的中隊長、小隊長全部擊斃，士兵死傷慘重，衝鋒又告失敗。其它幾個師團的進攻，也都被打垮了。
惱羞成怒的橫山勇看到步兵衝不下來，就又命令炮兵轟。但是華軍守軍沒有被炸垮，跟衝上來的日軍肉搏戰在一起。第五十八師團終於突破防守較弱的北門，與華軍發生了激烈的巷戰。
方先覺用唯一的電臺給委員長蔣氏發報：“敵人今晨已經由北門衝進來了，城內已經無可用的彈要以及可增援計程車兵，情況是危急萬分。我等只有一死為國，來生再相見了。”
七日，敵機和炮兵繼續進行轟炸、掃射和施放毒氣，日軍步兵則趁機攻入陣地，日軍發現守軍陣地豎起白旗，晚上守軍部隊接連放下武器，第十軍參謀長孫鳴玉與日方接洽停火事宜。
方先覺與日軍簽署了停火協議，方先覺被俘後向日軍提出了三項要求。保證生存官兵的安全，並讓他們休息；收容傷員給予以治療，並鄭重埋葬陣亡的官兵；守城的官兵絕不會離開衡陽城。
日軍接受方先覺的部隊投降，但拒絕他的條件，方先覺最終接受無條件投降。八月八日，衡陽陷落。
戰爭結果日本戰史稱，此役犧牲之大，令人驚駭，是一場苦難的戰役。在衡陽之戰，中**隊傷亡約一萬五千人，陣亡有六千多人。日方統計，此役日軍傷亡將近兩萬人。
日本戰史承認，此役犧牲之大，令人驚駭，不獨嚴重地妨礙了打通大陸的日程，並且遭受了重大傷亡，是一場苦難的戰役。
華軍第十軍英勇頑強堅守衡陽城四十七晝夜，遲滯了日軍打通大陸交通線的程序，殲滅了大量日軍，表現了中華民族不怕犧牲，抗擊外敵的崇高精神。日軍戰史稱：方先覺為驍勇善戰的虎將，第十軍寸土必爭，孤城奮戰的精神，實在是令人敬仰。
中**隊勇敢作戰的情形，不僅讓日軍敬佩，就連日本天皇和大本營都已有所聞。
方先覺的第十軍，總兵力不過是一萬八千人，實際作戰兵力不到一萬五千人，奮力抗擊日第十一軍五個師團將近
