7月11日，日军继续进攻，12日，攻占虎形巢。日军第二次总攻，改行重点攻击。但守军不畏牺牲，坚守阵地，抵抗极为顽强，往返冲杀，对敌逆袭，与日军反复争夺一些要点。张家山小高地，失而复得三次。至15日，守军退西禅寺、张飞山，改守第二线。日军攻击重点从衡阳西南转向城之外廓。16日，市民医院南端高地失陷。日军攻击转向西北郊。17日，日军对衡阳城猛烈轰炸，逐次夺取城郊据点，压缩包围圈。16日至月底，双方对战，寸土必争。第十军官兵伤亡达70－90％。医药品缺乏，轻伤者自愿重返第一线，伤势不轻但能行动者，自愿留在阵地，宁愿以激烈的战斗麻木自己。日军进攻衡阳付出了重大伤亡，又有联队长一名、大队长六名被击毙，但仍难以进展，不得不于19日再次停止进攻。21日，敌佯装退兵，引诱守军出击，又空投“归来证”，向第十军诱降。第十军识破敌之诡计，将“归来证”予以焚毁，决心苦战，与衡阳共存亡。

    第八团在争夺战中，半日之内连升的5个营长，均先后壮烈殉职衡阳保卫战中，各级军官身先士卒。第八团五桂岭争夺战，半日之内连升了5个营长，均先后壮烈殉职。葛先才师长亲冒毒气，率部恢复张家山阵地。周庆祥师长在草桥北来雁峰附近苦战5昼夜，始撤守草桥以南核心阵地，被称为“核心劲旅”。

    在保卫衡阳作战中，7月27日、8月2日，中国空军两次向衡阳城内投下蒋介石的手令，令方先觉军坚守衡阳城待援。但日军拼力堵截支援衡阳的中国军队。经过一个多月的苦战，第十军伤亡极大，连杂兵夫役亦抽调投入第一线战斗，状极惨烈

    衡阳守军顽强死守。相持至8月1日，日军又猛攻西禅寺。迄3日拂晓，西禅寺守军阵地失而复得3次，伤亡惨重。经过一个多月的苦战，第十军伤亡极大，连杂兵夫役亦抽调投入第一线战斗，状极惨烈。

    日军自第二次总攻后，仅夺得小部分阵地，无大的进展，损伤却更惨重。衡阳久攻不下，日本中国派遣军甚感不安，日本大本营也极为不满。日本第十一军司令官横山勇增调兵力，亲自指挥进攻衡阳之战，以5个师团之兵力，于8月1日集结于衡阳外围。此时衡阳城内伤亡惨重，粮弹匮乏。城内士兵只能吃烧焦的米煮成的糊饭，佐以盐水。阵地附近池塘的鱼虾浮萍均被采食一空。受伤士兵无药品疗治，只能用盐水洗伤口，用废纸破布包扎，伤口多化脓，溃烂生蛆，重伤者无法救治待死。

    8月3日，日军对衡阳大肆轰炸，4日晨开始第三次总攻击。在日军猛攻下，坚守衡阳城一个半月的第十军已疲弊异常，难以再战。8月5日，周庆祥师长主张突围，但城内伤患六千多人，无法随军行动，方军长决心继续死守。方先觉军伤亡极大，阵地多处被毁。7日，日军从衡阳城北门突入。是日，方先觉与各师长联名，向统帅部发出“最后一电”:“敌人今晨由北门突入以后，再已无兵可资堵击。职等誓以一死报党国，勉尽军人天职，决不负钧座平生作育之至意。此电恐为最后一电。来生再见！”

    方先觉第十军官兵守卫衡阳城达47昼夜，在日军猛烈攻击下，顽强拼搏，坚守待援，直至阵地全毁，伤亡惨重。8月7日夜，方先觉派参谋长孙鸣全与日军谈判，停止抵抗。衡阳于8月8日陷落。

    日本战史称，此役“牺牲之大，令人惊骇”，是“苦难的战役”

    衡阳之战，中国军队伤亡约15000人，阵亡6000余。据日方统计，是役日军伤亡