第三段为7月11日至20日，日军二攻衡阳。敌重新组织炮兵和航空兵支援，重点攻西南方，并用飞机投掷大量燃烧弹，使全城变成火海。守军顽强抵抗，击毙敌旅团长1人。预10师在张家山、虎形巢两个重要据点，与敌反复争夺数十次，全师主力伤亡殆尽，至20日，日军占领守军第一线阵地，但伤亡过大，被迫停止攻击。
第四段为8月4日至8日，日军三攻衡阳。日军除原有的两个攻城师团外，又增调3个师团对衡阳城西、北、南三面发动猛攻，重炮倾泻炮弹4万多发。8月6日日军突破小西门附近演武坪阵地，双方展开巷战。中午，日军一旅团长被击毙，几处主要阵地虽然保持，但守军已无兵力反击了。8月8日晨，第10军军长方先觉举枪自杀被部下拦阻，随即被俘。衡阳失陷，会战结束。
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一则：
军事委员会虽早在日军围攻衡阳之前即已令王陵基指挥第72、第58、第26军，杨森指挥第20、第44军，欧震指挥第37军、暂2军，王耀武指挥第73、第79、第99、第100军等夹击日军，后又数次电令各兵团“乘敌后空虚，击破进犯之敌”和“扫荡当面敌人”，令李玉堂、王耀武“速解衡阳之围”，但衡阳外围各兵团均遭到负责拦截的东、西两路日军的阻击，不能击歼两路日军、解衡阳之围。
由于湘江以东各军散处日军侧后，距衡阳尚远，而第62军已迫近衡阳，因而军事委员会于7月22日电令第九战区集中湘江以西部队向进攻衡阳的日军攻击。23日，军事委员会又电令李玉堂“即日进驻62军军部，直接督促”。
