隨著國際局勢變化，中國的抗戰已由戰略防禦轉入戰略反擊，大道小道的各種消息水陸併進向這個長江盡頭的古鎮傳來。
1943年6月18日，蔣介石下令把陝北洛川防犯日軍的國民黨胡宗南部40萬大軍，調往陝甘寧邊區包圍中共就地坐大的陝甘寧邊區人民政府和軍隊。
9月6日至13日，蔣介石主持召開國民黨五屆十一中全會並致訓詞，指出「現在最後勝利已在望」，強調「在這次全會期中，特別要集中心力於建國的問題，以期得到一個圓滿的方案」。這次會議推選蔣介石為國民政府主席（南按：原主席林森已於這年8月1日去世）。
11月23日，蔣介石以堂堂中國國家元首和世界級政治巨頭的身份，出席了中、美、英三國首腦開羅會議。其間與羅斯福單獨舉行會談，主要討論中國領土被日本佔領地區的歸還問題。雙方一致同意：東北三省、臺灣及澎湖列島在戰後一律歸還中國，琉球群島由中美共管；日本天皇制要否維持應由日本人民自決；朝鮮的獨立可予保障。
12月3日，在抗日戰爭與世界反法西斯戰爭史上著名的《開羅會議共同宣言》，於重慶、華盛頓、倫敦同時公布。也就在這一天，侵華日軍為策應太平洋戰場和印緬作戰，以4個精銳師團的優勢兵力攻佔湖南常德。國民黨守軍第57師將士浴血奮戰，終因寡不敵眾，全師8529人僅321人突圍而出，其餘全部陣亡。4天之後，中國軍隊聯合美國第十四航空隊共同作戰，一舉奪回常德，圍困中國整個西南地區的日軍全線撤退。
1944年1月1日，蔣介石向全國軍民發表廣播講話，指出中國的抗日戰爭勝利在望，中國國譽日隆，圍攻並徹底打垮日寇，中國須擔當主要任務云云。
就在抗戰曙光照亮東方地平線並向浩瀚遼闊的天際放射之時，風雲突變，深感危在旦夕，即將全面崩盤的日本大本營，決定用盡最後一絲力氣拚死一搏，打通大陸交通線，力爭「一戰而挽回頹喪之民心士氣」，[3]死裡求生。日本大本營制定的戰略構想是，以黃河南岸之「霸王城」為基點，先征服平漢鐵路之南半段，進而攻佔長沙、衡陽、桂林、柳州以迄南寧，打通湘桂及粵漢兩鐵路線，全程共1400公里。這一作戰構想，即抗戰後期著名的「一號作戰計畫」。
根據這一計畫，在全面崩盤之前已經殺紅了眼的日本小鬼，於4月初正式從北線發動攻勢，先後發起豫中戰役、長衡戰役、桂柳戰役等系列大規模決戰。國軍隊各個戰場雖進行了頑強抵抗，但敵我戰力懸殊，連連敗績。
4月18日，集結在中原以岡村寧次為總指揮的14.8萬日軍，開始向以蔣鼎文為第一戰區司令長官的中國守軍8個集團軍近40萬人展開攻擊。日軍攻勢凌厲，所向披靡。國軍連連敗退，日失一城，日軍前鋒以銳不可當之勢直逼豫中最後一座重鎮——洛陽。按照日軍大本營作戰計畫，攻陷豫中後繼續西進，越過潼關，兵發西安，奪取寶雞，然後順川陝公路南下，直逼重慶這座戰時陪都，如此中國必亡矣。為挫其鋒銳，阻遏日軍西進的步伐，蔣介石密令第一戰區與日軍交火一個月後，主力部隊有計畫地向西撤退至潼關一線佈防。至5月25日，在37天的時間裏，駐守豫中的國軍丟失城池38座。第一戰區司令長官蔣鼎文指揮部所在地——洛陽，經過10餘日的苦撐死守後終告失陷。城破之時，守城的三個師幾乎犧牲殆盡，僅千餘人突圍而出。所幸的是，日軍進至潼關一線，遇到了憑險駐守的第一戰區官兵拚死抵抗，兵鋒大挫，終未能越過潼關天險而進入關中大地，由寶雞南下直逼重慶的戰略計畫遂宣告破滅。
日軍雖在潼關受阻，但已攻佔奪取了整個中原戰略要地。自古兵家就有「得中國必先得中原」之妙論，只要日軍在中原站穩腳跟，長衡、桂柳兩大戰役便有獲勝可能，繼而打通湘桂線，原制訂的「第一號作戰計畫」可告完成，日本軍隊將由此得以新生，整個遠東戰局就有鹹魚翻身的可能。
中原重鎮洛陽陷落的第三天，即5月27日，日軍分左、中、右三路對湖南省省會長沙展開圍攻，先後調集36.2萬人，與整個湖南戰場的第九戰區薛岳部30萬國民黨軍展開激戰。
6月16日，國民黨守軍傷亡慘重，力不能支，岳麓山失陷。18日，負責守衛長沙的第四軍被日軍包圍，又遭敵機30餘架轟炸掃射，終至「軍心動搖，遂難掌握」，長沙城陷。第四軍軍長張德能收集該軍殘餘1300餘人突圍而出，雖經薛岳解釋戰役經過，並有副參謀總長白崇禧請求從輕發落，張德能仍被蔣介石下令槍決。
攻陷長沙後，日軍以其第二線兵團加入第一線作戰，迅速南下，企圖一舉拿下衡陽，達到與桂境兵力會師的戰略目的。面對危局，國民黨軍事委員會總指揮部急速調兵遣將，分三路進行阻擊，抗戰史上最為慘烈的以衡陽為中心的劇戰拉開了序幕。
6月20日，中日雙方在衡陽周邊50公里的範圍內，分別投入了30萬與35萬兵力，先於外線展開激戰。至7月底，日軍4個精銳師團相繼逼近戰略中心衡陽。國民黨第九戰區第十軍方先覺部扼守衡陽，抵抗日軍的猛烈進攻。此次衡陽之戰，是抗戰後期最大規模的一次會戰，被蔣介石稱之「有關於國家之存亡，民族之榮辱至大」[4]的最後一場生死之搏。日軍大本營燈火通明，各級將官、參謀人員日夜研究、觀注著這場戰事，中國軍民與各黨派團體翹首以待，盼望國軍用盡吃奶的力氣也要頂住，千萬不要被打趴壓垮。
正是緣於衡陽及其周邊地區在軍事中不可取代的重要戰略地位，從武漢失守到1944年日軍圍攻衡陽，在將近6年的時間裏，這一帶戰事作為中日交戰的主戰場曾未消停過。1939年中國十大戰區，以湖南為主要戰場的第九戰區擁有最多兵力，極盛時達到54個步兵師，佔全國總兵力的四分之一強。1939年至1945年抗戰勝利這段時間，正面戰場共有12次重量級大會戰，分別是：第一次長沙會戰、豫南會戰、上高會戰、棗宜會戰、晉南會戰、第二次長沙會戰、第三次長沙會戰、浙贛會戰、鄂西會戰、常德會戰、豫湘桂大會戰、老河口芷江會戰。其中有6次大會戰在湖南戰區展開。七七事變之後，日軍原定計畫3月亡華，但僅湖南一地，國軍就頂了5年之久，多次會戰，日軍始終未能越雷池一步，即此可見湖南戰略地位之重要與國軍高層對這一戰區的重視程度與兵力之強。
此時駐守衡陽的國民黨第十軍，前身為黃埔教導團，北伐時代擴編為國民革命軍第三師，或稱「老三師」，其將領分別為錢大鈞、李玉堂、蔣超雄、方先覺、葛先才、周慶祥等，歷屆第十軍軍師長也多為「老三師」舊部。抗戰軍興，第十軍成為國民黨五大主力之一，其特點是善於防禦作戰。抗戰八年，第十軍打硬仗的次數和展現的頑強鬥志，並不亞於號稱「虎賁」之師、「抗日鐵軍」的王牌第七十四軍（抗戰後整編為七十四師，師長張靈甫）。第十軍最出色的一戰是1941年年底至1942年年初，三戰長沙中擔任長沙守備任務的保衛戰。時軍長為黃埔一期生，號稱「黃埔三傑」、「山東三李」（李仙洲、李延年、李玉堂）之一的李玉堂。當此之時，李的指揮部設在岳麓山前一個祠堂內，面對飛蝗一樣圍攻而來的日軍，李鎮定自若，從容指揮。一日中午，李玉堂在指揮部一手拿煎餅，一手用筷子夾食大頭菜，忽有敵彈飛來，將眼前一個盛大蔥和蝦醬的咸菜罐子擊得粉碎，李不為所動。轉眼又一彈飛來，將筷子擊為兩截，李有點氣憤地罵了一句「把他娘！」即用手抓大頭菜吃。部下勸李更換指揮位置，李認為飛來的乃是流彈，無礙大局，終未搬遷指揮部。在李玉堂以身作則的感染下，第十軍將士豪氣凜然，於岳麓山和長沙城頭與敵人展開血戰，致使日軍傷亡慘重。1942年1月1日，日軍再度發動對長沙的進攻，第十軍也抱定與長沙城共存亡的決心，連續與敵激戰三晝夜不分勝負，日軍調集大批飛機對長沙城守軍實施連續長波次轟炸，守軍傷亡慘重，日軍佔據上風。延至1月4日，奉命守衛長沙南門城外的第十軍預十師三十團與攻城的敵人短兵相接，展開肉搏，一時血肉橫飛。日軍在飛機配合下，攻勢凌厲，長沙城岌岌可危。黃埔四期出身、三十團團長郭先才上校見部下傷亡激增，情況危急，恐支持不到黃昏長沙就落入敵手，焦急中乃決定孤注一擲、拚死一搏，發動全團展開衝鋒。一時間，十數支軍號響起，全團官兵包括炊事兵、雜務兵、傳令兵等一切勤雜人員全部投入衝鋒與肉搏的行列中。軍號聲與喊殺聲與全團官兵勢將一死的浩然氣勢，使敵人大受驚嚇，驚慌潰退，兄弟部隊乘勝追擊，長沙之危就此得解，第三次長沙大捷的序幕就此拉開。當晚，葛先才奉蔣委員長令晉升少將，軍長李玉堂獲頒青天白日勛章。1月5日，第九戰區司令長官薛岳上將下達了追擊、堵擊和截擊潰退日軍的命令，湘北大地頓時殺聲四起，炮火連天，敵軍以傷亡57000人（陣亡33941人）的慘重代價宣告此役敗亡，中國軍隊就此書寫了近代戰爭史上最為輝煌的一頁。在整個長沙大捷中用命最甚、立功最大的第十軍，獲頒國軍最高榮譽「飛虎旗」一面，被軍事委員會命名為「泰山軍」。
第三次長沙大捷，第十軍聲名鵲起，軍長李玉堂榮升第九戰區兵團司令，第十軍軍長由原黃埔三期生、該部預十師師長方先覺接任，方的第十師師長一職由葛先才繼任。此次守衛衡陽，正是方先覺統領的第十軍。
此時的第十軍因此前參加常德保衛戰遭到日軍重創，原四師（第三師、第一九○師、預備第十師、暫編第五十四師）已折半，僅相當於兩個師的兵力，共有1.7萬餘人，屬於久戰疲憊之師。而日軍圍攻衡陽部隊除第十一軍4個師團，另有直屬炮兵、化學部隊等共計11萬人，中日兵力比值為1：6.4，如此懸殊的兵力對比，在整個抗日戰爭屬首次出現，正因了這諸多的因素，為這場戰爭增加了一系列懸念並塗上了悲壯色彩。
按照國民黨軍事委員會原定計畫，國軍主力佈置在衡陽外圍，以方先覺部萬餘人吸引日軍傾全力前來攻城，只要方部扼守衡陽10天，最多兩週，即有外圍主力部隊增援並成鐵桶合圍之勢，裡應外合，一舉圍殲來範之敵。
日軍大本營的作戰方案是，傾第十一軍團全部兵力圍攻，於一日之內可攻陷衡陽。就在這作戰命令下達時，老謀深算的第十一軍團司令官橫山勇，識破了中國軍隊高層的戰略意圖，未敢輕易發兵，只調集兩個師團部分兵力3萬餘人作前鋒，分波次向衡陽圍攻，其他部隊則負責阻擊外圍的國民黨援軍並伺機圍殲國軍主力。用橫山勇的話說：「只要將敵人外圍主力擊破，衡陽守軍得不到援軍，在無補給之情況下，至其戰力耗盡時，則不攻自破矣。」既然中國原有的戰略部署被日軍破解，戰爭的進程也就出乎雙方軍事高層預料之外了。
6月23日凌晨，衡陽攻防戰正式打響，雙方均以火炮為主猛擊對方，日軍主用重炮與野山炮，中方主用迫擊炮，中間伴有其他武器交火與小范圍、短時間的肉搏戰。中國守軍士氣高漲，日本方面「負責攻城之兩師團，鑒於長沙之攻佔，已被他人捷足先登，功震全國，乃欲急起傚尤，一時戰志如雲」。兩支強軍狹路相逢，各懷戰志，死拼硬磕，戰鬥持續了近一個月，雙方傷亡重大，未分勝負，攻防雙方皆拼全力支撐。多少年後，據方先覺對日本《產經新聞》記者古屋奎二說：「由於長期作戰，醫藥品和食品缺乏，極感困苦。沒有止血藥劑，沒有繃帶，負傷官兵的傷口有發炎生蛆的現象。本來可以救治的官兵，很多都死亡了。我們給予敵人的打擊也非常之大，每天可以望到敵陣在舉行火葬的煙焰。整個衡陽城被死屍臭氣所籠罩，實在是很悲慘。」
衡陽交戰前，日軍大本營擬定在一日之內攻佔衡陽的戰略成為泡影，事後被日軍軍史專家斥為「其必勝之信念，誠屬可嘉；其廟算之粗率，罪無可逭」。日軍如此，中國軍隊同樣陷入了因高層廟算不周而導致在漩渦中不能自拔。在苦戰中勉力支撐的國民黨守軍日夜盼望的增援部隊，因受日軍外線阻擊，行驅艱難，始終未能抵達衡陽城門。經過如此長時間的消耗，衡陽已成為一座內無糧草、外無救兵的孤城。而日軍自7月下旬起，設在外線的兵站每夜仍可向衡陽前線官兵輸送30∼40噸的給養。面對此情，親自指揮此次會戰的中國最高統帥蔣介石意識到局勢嚴峻，嚴令外線各軍迅速攻擊前進，以解衡陽之危。但在日軍強大炮火與兵力阻擊下，7月20日，國民黨第六十二軍進展至衡陽西南約7公里處，由西北增援之第七十九軍亦距衡陽不過8公里處，受到敵人猛烈炮火的壓制，而第十軍於19日夜間派出向第六十二軍方向接應的特務營也遭到日軍伏擊，全部陣亡。蔣介石預計窮一日之力，兩軍各向前推進5公里即可解衡陽之圍，但這短短的5公里路程卻如萬水千山，計畫始終未能貫徹，援軍被迫停止。衡陽面臨彈盡糧絕、城破有日的險惡處境。
生死已到緊要關頭，最後的決戰即將開始。中日雙方皆傾全力投入這場關乎國家存亡的攻守戰。大海那邊的日本天皇翹首以待，密切關注著這場千里之外的戰事。日軍大本營命令第十一軍全力投入攻城之戰，並調集炮兵、化學部隊配合，以盡快拿下衡陽。正身患痢疾、身體衰弱、焦躁不安的日軍橫山勇中將認為時機已到，不再猶豫，集結第十三、四十五、五十八、六十八、一一六共5個師團，外加五十七旅團和重炮、化學部隊共11萬餘眾，向衡陽城圍攻而來。面對日軍的強悍攻勢，國民黨軍事高層人員更加焦慮不安，皆以悲壯的心境注視著這場關乎民族安危的攻防戰。
當此之時，美國派往中國戰區擔任戰區參謀長的史迪威將軍，為爭奪實際上的中國戰區最高統帥權，進而支配、統治中國，不惜與蔣介石公開叫板爭雄，並密電唆使羅斯福總統和一些政客，通過美國輿論向蔣使壓，迫其就範，讓蔣介石無條件交出中國軍隊的指揮大權。由於美國上層對蔣的施壓和輿論對國民黨軍隊的譏諷甚至誹謗，導致蔣介石與中國軍隊蒙受羞辱，國際地位大損，而「敵寇更恣意進攻，徒增我軍民痛苦」。在國勢危於累卵的嚴峻時刻，衡陽之戰的重要性就不只具有軍事戰略價值，更涉及政治及外交上的關鍵作用。如果衡陽防守能取得最後勝利，則政治外交將隨之逆轉；反之，將雪上加霜，後果不堪設想。7月20日，蔣介石在日記中寫道：「……軍事憂惶，未足言危，而對美外交之頹勢，實為精神上最大之打擊。但果能邀天之福，軍事獲勝，則外交危機，亦可轉安，萬事皆在於己之盡力耳。」
衡陽之戰不僅牽涉到中國一地之得失，而關乎華盛頓與尚在緬北指揮盟軍攻擊密支那日軍的史迪威將軍，更關乎整個遠東戰局與政治安穩。5天之後的7月25日，蔣介石取勝之心已變得極度迫切，不惜於暗夜中向天祈禱：「願主賜我衡陽戰事勝利，當在南嶽頂峰建立大鐵十字架一座以酬主恩也。」縱觀抗戰八年，手握數百萬大軍的蔣委員長，經過了一次又一次劫難，但如此焦慮迫切之情，從未有過。令人萬分遺憾的是，縱然他一日發出「十二道金牌」，援軍仍無法打破日軍的阻擊線，衡陽解圍仍是夢中之影。
孤軍守戰，勢難支撐的第十軍軍長方先覺仍不斷發出急電，力陳所部將士面臨的困難與險境：「本軍固守衡陽，將近月餘，幸我官兵忠勇用命，前仆後繼，得以保全，但其中可歌可泣之事實與悲慘壯烈之犧牲，令人不敢追憶！」又說：「自昨三十日晨起，敵人猛攻不止，其慘烈之戰鬥，又在重演。危機隱伏，可想而知，非我怕敵，非我叫苦，我決不出衡陽！但事實如此，未敢隱瞞，免誤大局。」
蔣介石在7月31日的日記中寫道：「衡陽保衛戰已一月有餘，第十軍官兵死傷已過十分之八，而衡陽屹立不撼。蓋以衡陽之得失，其有關於國家之存亡，民族之榮辱者至大也。」
8月1日，日本第十一軍司令官橫山勇中將，佩戴「天照皇大神宮」神符，攜隨員乘偵察機三架由長沙飛抵衡陽機場，親自指揮日軍步兵、炮兵等兵種相當於七個師團的兵力聯合作戰，企圖一舉攻下衡陽，擊潰方先覺部。
8月2日，國民黨增援部隊按蔣的數次電令火速向衡陽推進，仍如攜山搬家，無法突破日軍封鎖。無奈中，蔣介石動用飛機穿越敵人炮火向衡陽投下手諭，不許方先覺再發電請援，同時囑其注意一死報國，內稱：「我守衡官兵之犧牲與痛苦，以及迅速增援，早日解圍之策勵，無不心力交瘁，雖夢寐之間，不敢忽之。惟非常事業之成功，必須經非常之鍛練，而且必有非常之魔力，為之阻礙，以試煉其人之信心與決心之是否堅定與強固。此次衡陽得失，實為國家存亡攸關，決非普通之成敗可比。自必經歷不能想像之危險與犧牲，此等存亡大事，自有天命，惟必須吾人以不成功便成仁，惟有以死報國之決心以赴之，乃可有不懼一切，戰勝魔力打破危險，完成最後勝利之大業，上帝必能保佑我衡陽守軍最後之勝利與光榮。」同時告之增援大軍已「嚴督猛進」，嚴令第十軍將士繼續堅守勿退，力克敵軍。
方先覺懷揣訓令，苦苦支撐，艱難等待。幾天過去，儘管心急如焚，望眼欲穿，仍是「上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見」，連一個援兵的影子也沒看到。
8月4日晨，日軍以重炮5門、野山炮50門和約五師團兵力向衡陽發起第三次也是最後一次總攻。按總指揮官橫山勇的作戰計畫，預期可在一天之內，必下此城。但正如日本戰史所述：「敵人之守將方先覺將軍，為一號驍勇善戰之虎將，其第十軍之三個師，皆以必死之決心，負隅頑抗，寸土必守，其孤城奮戰的精神，實令人敬仰。我第一日之全力猛攻，竟又被迫無效而終。亙四十餘天之激戰中，敵人尚無一卒向我投降，實為中日戰爭以來之珍聞，如非敵人在長期抗戰中已逐步將游雜部隊整編為正規軍，則必系我軍之兩次挫敗，使敵軍堅定了必勝的信心！但我軍之此次總攻，若不成功，將何以對陛下！何以見同胞！第十一軍亦將永遠淪為受人卑視的境遇。責任心榮譽感之所驅，全軍將士猶如強攻旅順要塞之乃木軍（南按：指1904年日俄戰爭時期之日軍），生死不顧，用肉體徑向敵人之陣地硬拚。」[16]從這則記載可以看出，此時已殺紅了眼的日軍同樣只能進不能退，遂決定孤注一擲，來一個魚死網破的最後決戰。
8月6日，中日雙方經過激烈的爭奪拚殺，強悍的日軍第五十八師團作憑藉熟練的攻堅經驗，終於突破衡陽城北一角，並迅速以一部突入市街。在敵機猛烈轟炸下，守軍陣地幾夷為平地，陣地官兵與攻入之敵展開近戰與肉搏，血戰不久全部戰死。日軍乘勢以精銳之師向城內第十軍指揮部所在地——中央銀行急速進擊，守城官兵再度與日軍展開大規模巷戰與肉搏，衡陽頓成一座鮮血噴濺的血城，第十軍無一人不參加近戰與白刃格鬥，無論是炊事員還勤雜兵，都掄著菜刀與燒火棍進入戰場竭力拚殺，慘烈的肉搏持續了兩個晝夜又半天之久。
8月7日，日軍調集重炮、野山炮百餘門齊向衡陽城猛烈射擊，橫山勇再度下令強行總攻，欲一舉攻克城池。蔣介石深知衡陽戰況已到生死存亡、千鈞一髮之際，特督令援軍戰車部隊急進增援，並電第十軍告以「援軍明日必到衡陽，決不延誤」。延至下午3時，衡陽城內仍不見援軍到達，此時守軍支撐已到極限，方先覺在徵求手下幾位高級將領的意見後，向蔣介石發出了最後一份電報：
敵人今晨由北城突入以後，即在城內展開巷戰，我官兵傷亡殆盡，刻再無兵可資堵擊，職等誓以一死報黨國，勉盡軍人天職，決不負鈞座平生培育之至意。此電恐為最後一電，來生再見。
方先覺率參謀長孫鳴玉，師長周慶祥、葛先才、容有略、饒少偉同叩
電報發出後，方先覺巡視部隊已過，回到指揮部決心自戕，當手槍對準太陽穴之際，兩個副官撲上來把槍打掉，眾皆悲泣，一面組織傷兵殘將繼續阻擊，一面仍幻想有天兵突降，挽狂瀾於既倒。
蔣介石通過空軍偵知衡陽城已岌岌可危，約晚7時接到方先覺發來的電文，悲愴中幾乎暈倒。於絕望中，口述「祝上帝保佑你們」七字電文，而後一聲長嘆，整個身子靠在椅背上，頭偏於一旁，無力地閉上眼睛不再言語。站在蔣介石一邊的侍從室第六組組長兼軍統局幫辦唐縱，在當天的日記中記載，六組首接方先覺來電，「讀後不禁闇然神傷，熱淚奪眶！查衡陽自六月二十六日敵軍迫城至本月八日止，達四十四天，我援軍始終不能攻達衡城，致守城士兵全軍玉碎，痛嘆無已！」
另據《總統蔣公大事長編初稿》記述：
迄黃昏時據空軍偵察回報：「城西北角似有戰事，其他符號則仍指向西南，表示敵正進攻中雲。」公於研判後自記曰：「綜核各報，城北一部雖被敵攻破，但其範圍未曾擴大，尚非絕望之局，只有督促援軍，明日能如期急進，以勢論之，此次戰車之參戰，應可如期成功也。」是夜公起床禱告凡三次幾未入眠也。
八月八日，公以衡陽會戰守軍苦鬥至此歷時凡四十七晝夜，故於凌晨四時即起默禱能轉危為安。至五時猶得衡陽電訊，拒十五分鐘之後電訊中斷，自此即絕不復通矣！旋於十時許猶接空軍偵察報告：「衡陽城內已不見人跡。」於是乃確知衡陽已陷矣。公因自記所感曰：「悲痛之切實為從來所未有也。」
衡陽攻守戰，國民黨第十軍以1.7萬人的劣勢兵力，與11萬日軍相抗，堅守孤城47天，在僅2平方公里的戰場上，數度肉搏，以死傷1.5萬人，亡7000餘人，軍長方先覺以下參謀長、四師長被俘的代價，致敵死傷7萬餘眾，其中4.8萬人被擊斃，日軍六十八師團師團長佐久間中將於此役被擊斃，五十七旅團長吉摩源吉少將，被迫擊炮彈自腹部貫穿而亡。衡陽之戰，是抗戰史上最慘烈的拉劇戰，儘管打出了第十軍全軍覆沒的悲劇，衡陽最終失手，但同樣打出了中國軍隊在抗日戰爭中防禦作戰獨一無二的巔峰，也是少有的在一次戰役中，日軍傷亡人數大大高於中方的一次大戰，如此大小懸殊的比率，在世界戰爭史上極為罕見。日本戰史把此次戰役稱為「中日八年作戰中，唯一苦難而值得紀念的攻城之戰」，其「犧牲之大，令人驚駭。」也正是由於此次衡陽久攻不下與官兵傷亡慘重，引起日本軍政兩界及社會輿論對東條英機內閣的痛責。在群起聲討中，東條內閣於7月18日倒臺散架。縱觀抗戰八年，真正血火交織的死打硬拚之戰，自淞滬始，以衡陽終，其間不過數場而已。
日軍大本營對攻佔衡陽「如釋重負，對爾後之作戰，則一面規誡橫山加強整補，勿再急進，一面考慮於中秋節前後，再向次一目標——桂林——發動攻擊，並立即以新兵十萬，撥補予第十一軍」。
隨著戰略中心衡陽陷落，湖湘一線的國軍全面崩潰，導致廣西失去了重要屏障。日軍趁機調集優勢兵力，與西南戰區的日軍遙相呼應，南北夾擊，在很短的時間內，南線軍事重鎮桂林、柳州、南寧以及廣東、福建部分軍事要塞相繼失陷，中國軍隊損失兵力60餘萬。此後不久，日本中國派遣軍和駐東南亞的南方軍，在廣西南部勝利會師，從而打通了中國內地通往越南的大陸交通運輸動脈，完成了日軍大本營擬訂的「一號作戰計畫」。這一戰略計畫的成功，極大地鼓舞了日軍士氣和野心，認為：「一號作戰的顯赫成果，可以說是使當時陷於淒慘不利戰局中的日本，微微見到一線光明。」
