此時第十軍全靠一些美機的空投物資，繼續進行防守作戰。但是由於史迪威希望華軍作戰失敗，所以對於陳納德的空軍支援作戰，總是設法加以制肘。陳納德要設法四處張羅更多的油彈供應，以增加對日軍的空中壓制。陳納德若是充分能夠得到美國軍方、政府全力的支援，應該可以達成阻絕日軍補給的作戰任務，因爲日軍支援衡陽作戰的補給線，已經多次受到美機嚴重的打擊，日軍的彈葯與糧食幾度都無法接濟上攻勢的運作，其部隊也瀕臨作戰失敗的壓力。
但日軍在衡陽的作戰，也遭到極其嚴重的損失，迫使橫山一度也往考慮，是否值得在此繼續打下去。因爲即使日軍的作戰力量，也到了極限。但是這場作戰的勝負，已經成爲中日兩國軍力對抗的榮譽之爭了，說什麼横山也不能放棄，何況關東軍的戰將坂西一郎，已經到達湖南，接掌長沙的指揮權，假如自己不力拼下去，最後的結果恐怕不妙，連職務都會有變數。最後橫山勇決定，將日本十一軍的全部軍力當賭注，完全都押在衡陽，再增調十三、五十八師團，參加衡陽決戰。他並且不惜代價地運送威力強大的巨砲，到達衡陽陣地，準備給孤立無援的方先覺部，最後致命的一擊。
此時衡陽的決戰，其慘烈程度已使陣地成爲了人間地獄。蔣介石在最後時刻，仍然設法派軍隊救援第十軍，連第五軍的坦克車部隊都派到戰場。但是此時中國戰區的華軍，已經無法將士用命地拼力作戰了。因爲有了國際力量的介入與刺|激，內部派系的猜疑正在死灰復燃，而更加惡化了軍隊人員不足、裝備ｍ.heｔｕｂook•ｃom.ｃｏm後勤嚴重缺乏、軍心動搖、士氣低落的情況，因此無法動員軍力突破日軍層層包圍的防線。第十軍方先覺部，在堅持血戰四十二天之後，最後在八月八日，終於失去了抵抗的能力，日軍也損失慘重，無力再進攻下去。因此雙方經過交涉之後，在日軍允許保持軍隊建制與榮譽，以及救助受傷官兵的條件下，結束了孤軍拒敵的抵抗。中國第十軍在衡陽的保衛戰事實是以交涉之「終戰」而結束，而非投降日軍。
由於薛岳把第九戰區的殘餘的部隊，集結在湖南與江西交界的一帶，企圖等日軍深入之後，反擊日軍的側後。但是薛岳的這個佈陣，卻遭到日軍主力兵團向東旋轉的多路圍攻，因此不但無法發揮側翼包抄日軍的效用，反而讓南方的衡陽陣地，出現兵力支援分配不足的危機。日軍在攻佔長沙的同時，橫山勇對衡陽發動長距離的奔襲突擊，日軍第六八師團（佐久間爲人）與一一六師團（岩永汪），沿著湘江東西兩岸，分途包抄衡陽；第六八師團的決死突擊隊，在六月二十六日半夜，攻佔了美軍在華最大的空軍基地衡陽機場，得到了日皇親自的傳令嘉獎。
八月二日，日軍對衡陽發動最後一波的攻勢，橫山勇帶病親自前往衡陽前線指揮作戰，而四個參戰的日軍師團長，當然更是不敢怠慢，全都陪著横山，準備拿出老命一搏。各師團紛紛組織敢死隊，對華軍陣地進行冒死攻擊。日軍的巨砲再度轟平華軍的每一個陣地，日軍的敢死隊對華軍的據點，一個接一個地展開攻擊，守軍只能做到寸土寸血的力拼。日軍五十七旅團長志摩源吉少將，更是由自己擔任敢死隊的隊長，親自帶兵衝鋒華軍陣地，結果戰死衡陽。有受城市作戰特別訓練的五八師團，師團長毛利末廣中將作戰負傷，卻不肯就醫，躺在擔架上親臨戰場指揮作戰，可見戰況之激烈。www.heｔｕboｏｋ.ｃｏm.ｃom
但是在爭取這場決戰的指揮上，蔣介石無法把最有戰力的部隊，從緬甸戰場調回，因爲這是史迪威爭取華軍指揮權的本錢。史迪威使用優勢兵力，在緬甸獲得勝利；而同一時候，蔣介石在華南卻遭到日軍猛烈的打擊，所以羅斯福認爲，這足以證明蔣無法應付日軍的攻勢，而史氏有能力指揮華軍打敗日軍。在日本方面，東條則是將所有的軍力，包括抽調關東軍的二十軍，以及日本本土的四十七師團，都投入了湖南的戰場。可是日軍仍無法在七月攻下衡陽，同時日本又在緬甸與塞班島遭到慘敗的打擊，日皇裕仁已經對於戰局感到震動，東條在元老重臣集體的施壓下，只有被迫辭職下台。
華軍前往援救衡陽的部隊，在七月底時，曾經一度前進到與守軍只相差幾公里左右的距離，但是最終還是被日軍靈活的截擊壓退，沒有達成救援第十軍的任務。這時方先覺的部隊，已經是傷亡過半，不但是彈盡援絕，連吃飯的補給都成了問題。
由方先覺將軍所率領的第十軍，是一支作戰表現出色的部隊，曾在長沙與常德的會戰中，與日軍進行多次正面的惡戰，有著非常優異的表現。參與衡陽防衛作戰的華軍部隊，包括了預十師（葛先才）、第三師（周慶祥）、一九〇師（容有略），暫編五四師（饒少偉）。第十軍在ｗｗｗ•ｈｅｔｕｂｏｏk.ｃｏｍ.cｏm奉命防禦衡陽之後，立刻在衡陽地區，利用山岳與河道的複雜地形，開始構建防禦工事，此時美軍在桂林的步兵訓練中心，感到戰局的發展不利，因此奉命撤退，因此將一批帶不走的美軍訓練用裝備，交給第十軍使用。當時方先覺根本沒有想到，湖南的戰局，會惡化的如此之快，自己的部隊要孤軍防守衡陽四十二天，血戰到彈盡援絕的崩潰地步。這也是抗日戰爭中，中國部隊被日軍全殲的唯一軍級單位。
這時橫山勇知道，自己在衡陽是遇到對手了，必須要小心應付。因此他在重大的壓力之下，調集所有的兵力，圍攻衡陽，他準備把衡陽當成決戰地點，企圖以圍點打援的方式，吸引薛岳在湖南東部的部隊前來支援，然後日軍再發動多重包圍，一舉圍殲華軍第九戰區的主力部隊。不料日軍第二度的攻勢，仍然無法得到明顯的進展。中日兩軍在衡陽陣地爭奪戰中，陷入了肉搏力拼的階段，雙方在充滿血水的壕溝之中廝殺；每天都在焚燒腐爛的屍首，以防止瘟疫的發生。但是日軍對衡陽的攻勢，只推前了兩公里，仍然被第十軍給擋住了。
蔣介石此時急切希望能夠解衡陽之圍，至少能夠救出第十軍。但是薛岳已無兵力馳援衡陽，因爲他手邊只剩下有限的殘兵，退到湖南江西邊界集結，又得不到兵力與裝備的補充。不過在七月中旬，薛岳仍然設法從湖南、江西的邊界，對日軍的後方發動側擊。雖然這種攻擊對於日軍進攻衡陽的補給線造成壓力，但是薛岳的兵力不足，攻擊位置又遠離衡陽，因此無法對日軍造成真正的威脅，對於衡陽的守軍，更是沒有多大的幫助。這時蔣介石只有親自介入，指揮六十二軍、七十九軍與九十九軍，參與衡陽解圍作戰，但是由於作戰密碼完全被日軍解破，讓橫山能夠充分掌握到華軍的作戰動態，進行各種有效的攔截，並在在衡陽外圍設下多面埋伏，造成華軍更大的m.hetubook.com.com作戰傷亡。中國援軍的兵力與火力仍有限，始終無法突破日軍層層的包圍圈。
但是，事後橫山勇卻宣佈，日軍終於攻陷衡陽，完成「圍殲」華軍的第十軍，把原先答應第十軍的「終戰」禮遇，改成「俘虜」的對待，這是中日戰爭中，華軍唯一被「俘虜」的師級以上單位。但是自日皇以下的日軍高級指揮部，對於方先覺的第十軍，作戰如此之勇猛，都表示了無限的敬意。
衡陽終於陷落，史迪威理所當然地開始進一步的向蔣介石逼宮。蔣眼見自己部屬們的戰志出現動搖，並且開始私下運作而向史迪威靠攏。在強大的壓力之下，他也只有同意，向美國的要求讓步，準備交出華軍的作戰指揮權給史迪威。當時中國上下，獨立奮戰的信念已失，企圖依賴美軍直接的介入，能夠給中國的抗戰，帶來起死回生的力量。這是中國歷史上，最大的危機時刻。
日軍以爲在長沙會戰中，已經將華軍第九戰區的防禦系統，予以徹底的擊潰，雖然沒有圍殲中國的主力兵團，但是華軍在受到重挫之後，已失去再戰的能力，對於日軍進行長距離奔襲衡陽的作戰，橫山勇更以爲把握十足。事前衡陽在日機猛烈的轟炸之下，衡陽市區已成一片焦土，因此橫山認爲，日軍可以出其不意地迅速攻佔衡陽。但是橫山沒有想到，由方先覺所率領的中國第十軍，卻在衡陽進行一場驚天動地的陣地保衛戰，差點把橫山的完勝攻勢，搞成悽慘的大敗仗。
橫山沒有一舉攻下衡和-圖-書陽，甚至造成東京的震動，因爲此時東京的最高軍政負責人首相東條英機（身兼總參謀長、陸相、軍需大臣），已經岌岌可危，面面臨著辭職的壓力，他需要日軍更大的勝利消息，才能支撐他的地位。因此他透過私人親信作戰部長真田穰一郎少將，到達武漢，直接向「中國派遣軍」施加壓力，派遣軍總司令畑俊六更是急得不斷催促橫山，以最快速度攻下衡陽，並且加派參謀長松幷久太郎，直接到達衡陽前線，對橫山施加壓力。
到了一九四四年七月，衡陽之戰，不但是中日主要戰場的決戰，更是發展成爲中日兩國內部的政治戰。對於蔣介石與東條英機而言，衡陽作戰的勝負，都關係到自己最高軍政領導權的掌控。因爲在七月七日，美國總統羅斯福，親自向蔣介石提出，要求蔣介石將華軍指揮權，交給史迪威的信件，以挽回中國戰埸的敗局。因此除非蔣介石能夠證明，他能指揮華軍擊敗日軍攻勢，否則蔣介石將要面臨美國孤立、外援中斷，以及部屬叛變的危機。而日本首相東條的情況，同樣需要戰勝的消息來支持，否則日本的軍政領袖，已經對於他的領導與政策失去信心，東條將會被迫辭職。
六月二十八日，日軍奔襲衡陽的兩個師團，對衡陽完成鉗形包圍，同時日本飛機對於衡陽守軍的陣地，進行全毀性的地毯式轟炸。日軍認爲單是這樣的打擊，以及優勢的兵力與火力，衡陽已是日軍的囊中之物。但是橫山萬萬沒有想到，鎮守衡陽的華軍第十軍，陣地被毀，戰志依然不爲所動。中國軍隊對日軍展開猛烈的反擊，造成日本六八師團長佐久間爲人受到重傷，日軍的攻勢爲之受挫。