日军第32师团一部进抵距衢州城北龚家埠一带，其主力继续进攻石梁附近阵地。
负责固守衢州城郊的第86军军长莫与硕见形势严峻，竟以收容第16师溃散部队为借口擅离职守，出城向江山方向逃去，军直属部队亦大多随之离去①。衢州防守战斗由副军长兼67师师长陈颐鼎接替指挥。
3日，夜降大雨，江水暴涨。至4日晨，衢江以南日军，除第15师团徒步部队已徒涉至乌溪江西岸外，其余部队全被阻于东岸。
4日晚，第22师团一部徒步部队亦进至西岸;河野旅团少数步兵曾在已炸毁的铁路桥处以橡皮舟潜渡乌溪江，但在守军第67师反击下，已渡者全被歼灭。
衢江以北日军，第32师团于傍晚进至衢州西南9公里附近，一部渡至常山港南岸，切断了衢州至常山的联络线;第116师团进至衢江北岸附近。
中国守军各部根据第三战区的命令，均在进行反击的准备：
第74军一部在向北推进途中与南下的日军第15师团主力遭遇，发生激战。
突然接到军事委员会“避免在衢州决战”的命令，第74军主动撤至黄坛口以南山地防守;
第40师在日军第15师团一部攻击下，退至江山港北岸，改归第49军指挥;
第105师与日军第32师团激战后，撤至常山港南岸招贤附近防守。
6月5日，日军第15师团在航空兵掩护下，集中兵力猛攻衢州南郊阵地，激战至午后，突破落马桥阵地，守军第67师退守衢州南关;
日军第22师团一个联队渡过乌溪江，于傍晚进至江山港南岸，其主力仍在陆续渡江中;
日军第32师团当日攻占并进至常山港以南地区。
此时，衢州城已处于四面包围之中。
当日下午，泽田茂得到情报：后溪街附近有中国军队有力部队集结。为支援及保障第15师团攻破衢州，令第15师团攻占衢州城，令第32师团和第22师团分别向后溪街和江山方向进攻。
6月6日，衢州继续大雨滂沱，双方冒雨激战。
日军河野旅团于拂晓后通过刚刚修好的临时铁路桥，进至乌溪江以西，立即向衢州城西及城北门逼进;
第15师团主力从铁路附近猛攻南门及南城墙，其一部兵力与河野旅团一部于8时许攻占衢州飞机场及航空学校。
此时，第三战区根据军事委员会指示精神下达了“部队转移”的补充指示。衢州城外各军接到战区指示后交互掩护，逐渐脱离与日军接触，向指定的位置转移。
衢州城内守军因通信器材已全被日军的飞机、大炮所击毁，与战区及集团军均失去联系，仍依托城防工事继续苦战。
血战至晚，日军第15师团攻占大南门及新城门(即小南门)，河野旅团攻占东北门、北门及西北角城墙。
此时，船民齐大年从衢江泅水进入城中，带来王敬久关于守军向枫林港突围的指示。
副军长兼第67师师长陈颐鼎与第16师师长曹振铎商议后，以第46团第2营担任掩护，丢弃了重伤员及一切重武器、骡马车辆等，利用夜暗天雨突围西撤。
第46团第2营官兵在城防司令、团长谢士炎②的指挥下，英勇顽强的抗击。在大南门的激烈交战中，营长宋汉武壮烈牺牲，日军15师团的两位陆军相泽诚、上林道也相继被中国守军击毙。
已经占领了城门及城墙的日军始终未敢进入城内，亦未能阻止住中国部队的突围。
激战至7日拂晓，谢士炎团长率领第2营残部100余人从城东门突围，衢州沦陷。
日军发动“浙赣战役”的目的主要是破坏浙江省衢州等机场和打击驻浙江的中国军队。
但同时，更侧重于掠夺与破坏铁路设施和器材以及其他培养战力的各种军事、政治、经济设施和资材，以达到“以战养战”的目的，并掳劫青壮年以弥补其人力的严重匮缺。
此役日军虽然遭到一定的损失，其中师团长酒井直次郎被炸死，伤亡官兵17148人(包括因病住院而致减员的11812人)，但基本上达到了预定的军事目的。
而第三战区未能实现“在衢州附近决战”，“以主力分由衢州南北山地，合力围击而歼灭之”的目的，没有痛创日军，而自身却遭到巨大的人员、物资损失。
军队伤亡惨重，有的军师遭到歼灭性打击，丧失战斗力(日军记载第三战区阵亡40188人，被俘10847人)③。
更重要的是作战地区人民遭受了沉重的灾难和巨大的损失，仅以衢州一区为例：
日寇占领衢州后，在“环城三四十里内，一日可以往还者，莫不遍及，米盐牛畜、日常用品扫地以尽。有不满其欲，则全村焚毁，shā • rén 如麻”。
“城郊各处，大火连续，经月不熄。参天树木及握把小株，炮轰斧斫，无一幸免”。
“当时有‘十无’之谣，谓市无人，田无谷，山无木，村无屋，食无粮，着无衣，病无药，死无棺，家无丁男，室无贞妇”。
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