在丘陵地带的主阵地前，日军付出了相当沉重的代价。宽大的外壕既不能藏身（底下有火力点），又无法作为下一步冲锋的依托（太深太宽），只能用梯子跨过去。
等日军越过外壕，却被重直峭壁拦住了路，他们只好想办法攀爬。峭壁顶上的守军只要不停地往下扔手榴弹，就能轻易把日军炸得人仰马翻。
更可怕的是，峭壁前的日军一旦聚集得足够多，便是守军侧射火力发挥威力的最佳时刻，日军因此死伤无数。
在付出数千人的代价后，日军终于攻到衡阳城下，他们以为噩梦即将结束时，哪知此时才是噩梦真正的开始。
第3师已经把衡阳城改造成一个巨大的堡垒，每一间房屋、每一条街都是让侵略者丧胆的战场。
起先进攻衡阳的日军是第68和第116师团，经过6月28日和7月11日的两次总攻后，这两个师团伤亡超过8000人，战死1名联队长、6名大队长和几乎所有中队长。
日军让更加强悍的第13和第58师团加入衡阳攻坚，使总兵力超过9万人。
蒋介石对方先觉和第10军的要求是坚守10-15天，为外围反攻争取时间。
蒋介石这一次并不打算食言，除了命令第九战区各军向衡阳增援外，还从第四和第七战区各抽调一个军，加强第九战区的力量。
以衡阳为核心的上千平方公里地域内，数十万中日两国军队绞在一起，互相攻防，竟然没有了完整的战线，双方统帅部都无法完全弄清楚交战状况，只好任由前线各军各师随机应变。
中国军队尽力往衡阳突进，日军则拼命阻挡。7月28日，第79军的一个团攻至衡阳外围的杨梅岭，但是遭到日军侧击，全团伤亡四分之三，不得不放弃杨梅岭。
第62军也从另一方向攻进衡阳市郊，同样被日军两面夹击，伤亡惨重，只得撤出战斗。
这是外围援军与衡阳守军靠得最近的两次机会，但都没有能够与衡阳守军会合。
第79军与第62军连日苦战，伤亡惨重无力继续攻击。衡阳城内的第10军官兵能够听到郊外的枪炮声，却总是看不到援军的身影。
随着阵地的日益缩小，空投物资越来越困难，守军的dàn • yào 和粮食越来越少。
方先觉将城市划分成几个防区，由各团分别防守，军和师的机关后勤人员全部武装起来，补充到战斗部队。巷战打了一个月有余，第10军逐屋逐街地与日军进行争夺，伤亡总数将近1.6万人，只剩下1200多人完好无损。
《抗日战争正面会战档案全纪录》记载：时值盛暑，打死的尸体无法清除，臭不可闻，伤员得不到医治，伤口恶化，治疗的器械、药品根本谈不上，棉花、纱布都没有了，不少伤兵伤口生蛆流脓，活活受死。
有的重伤员开枪自杀，还有的央求医护人员发发善心，“给我一枪吧”。
8月7日，方先觉召开紧急会议，让大家商量下一步怎么办，突围、死守，还是投降？第3师师长周庆祥提议暂时投降，以待将来。方先觉默然，回到自己屋里放声大哭。
当晚，第3师首先放下武器，方先觉命令开炮，却发现炮弹用光了。周庆祥带着日军联络官来到军部，第10军在坚守47天后，最终向日军投降，日军承诺妥善救治第10军伤兵，使很多战士有机会活下去。
此时的蒋介石还不知道这个消息，在8月8日，出动宝贵的战车（坦克）部队企图救援衡阳，却因炮兵协同不利，攻势再次失利，衡阳保卫战就这样结束了。
第10军被俘人员在1万左右，其中8000多是伤员，日军承认的伤亡是2.9万，中方的伤亡统计是击毙2万，伤6万，第10军自身伤亡1.6万人，仍然远低于日军，打出相当出色的交换比。
由于侵华日军已经意识到帝国的末日为时不远，对国际影响有所顾忌，不敢再像战争初期那样虐待战俘，使第10军的幸存官兵大部分逃脱，连方先觉也在当年11月逃回重庆，受到蒋介石的亲切接待，并被授予青天白日勋章。
衡阳保卫战历时47天，在国民党军队一片溃退中显得尤为难能可贵，盟军对第10军的顽强和功绩也颇为认可。虽然方先觉和第10军最终放下了武器，但仍无法掩盖其为抗日做出的杰出贡献。
衡阳保卫战是中国抗战史上敌我双方伤亡最多，交战时间最长的城市攻防战，中国军队1.7万人与10万日军精锐血战47天，中国军队战至最后只剩1600人，却打出了1:5的奇迹战损比。
此战杀伤了7万日军，打得日本首相被迫下台，连世界都惊呼这一战为“东方莫斯科保卫战”。
1944年，为打通从东北到越南的大陆交通线，日军开始了侵华以来在中国战场上最大规模的进攻，豫湘桂战役正式打响。
至六月长沙沦陷后，日军第11军集结四个师团十万人，大举进攻衡阳。
衡阳位于蒸水、耒水合流处，是粤汉铁路和湘桂黔铁路的交汇点，也是中国西南的门户和军事咽喉，有着极其重要的战略意义。
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