日军占领长沙后分三路南进，直指衡阳。中路由湘潭出衡山，攻击衡阳正面；右翼出湘乡，攻击衡阳西北面；左翼由醴陵出攸县、茶陵、南犯安仁、耒阳，包围衡阳东南面，并切断援救衡阳的中国军队。衡阳是豫湘桂大会战的第二阶段，长衡会战的主战场。
长沙失守后，战略上，国军指挥中枢有争议：有人主张放弃抵抗，有人主张要打持久战。后者的意见被高层采纳，于是衡阳保卫战打响。战术上，国军的战法是在中间进行堵截，再从两翼实施夹击。因此，在正面只用了一个军的力量在衡阳防守，东西两翼则投入了13个军的力量。衡阳的中国守军是国军第十军，下辖第3师、第190师、预备第十师，实际兵力是七个团，加上配属的暂编54 师1个团，总兵力为8个团，1.7万人。进攻的日军率先投入的则是横山勇的日军第11军的四个师团，68师团、116师团、 58师团、13师团，约九万人，空军则有第五航空军全力配合。
战斗细部
衡阳会战分四段进行。
第一段为6月23日至27日，日军挺进衡阳并占领衡阳机场。6月23日守军190师杨济和营在五马归槽毙伤日军300人以上。25日敌军攻占五马归槽和飞机场。守军596团反攻，激战5小时，歼敌400多人，夺回机场，次日机场失守。27日，日军飞机10余架，重炮10多门，猛轰五桂岭、江西会馆等阵地；同日，守军在高岭等地击退敌10多次进攻，毙敌600多名，敌军进展缓慢。
第二段为6月28日至7月2日，日军发动第一次攻击。28日，敌先以排炮猛轰，继以飞机对守军反复轰炸，并施放毒气和硫磺弹，守军不断反击，从山上投掷铺天盖地的手榴弹，第68师团长及参谋长在黄荼岭被守军预10师迫击炮连击伤。30日日军向五桂岭炮轰后又施放毒气，使守军全连80余人中毒身亡。至7月2日，为期5天的第一次攻击，除占领停兵山、高岭、瓦子坪、辖神渡、来雁塔等据点外，守军一线阵地均屹立不动，但守军已伤亡4000余人，弹药消耗60％以上。
