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２５日，日军第２２师团进至古方，２６日逼近汤溪，与第４０师、暂１３师展开激战；日军第１１６师团攻占寿昌后与第３２师团并列继续南下。２６日，其先头部队已进到衢江北岸的航埠附近。第４０师及暂第１３师被迫向龙游转进，经苦战，龙游被日军攻陷，金、兰后方已受到严重威胁。第１０集团军已令第４０师转至大洲镇防守，暂１３师转至灵山镇防守，掩护集团军右翼安全。在日军第２２师团后跟进的小江旅团（由华北方面军第２６师团及第３７师团各３个步兵大队组成，２４日到达诸暨）已进至武义附近。
金华方面： 日军第７０师团及第２２师团、河野旅团一部在２０余架飞机掩护下，于２５日拂晓开始向第７９师外围阵地进攻，并以一部向竹马馆迂回，进攻第７９师右侧背。２６日全线竟日激战，日机数十架在阵地上空轮番轰炸，并在金华东关附近投掷喷嚏性毒气弹多枚，掩护其步兵冲击。至黄昏时，守军第７９师防守外围阵地的第２３５团和挺进第１纵队被迫向金华西北阵地转移。２７日至２８日，战况愈趋激烈，日机在城垣上空轮番轰炸，守军核心阵地工事全被摧毁。为挽救败局，第７９师曾从王牌、项牌右侧向日军实施反击，亦未奏效。日军于２８日晨突入城内，与守军展开巷战。第７９师官兵与日军激战达４小时之久，终因阵地大部落入日军之手、伤亡过重，只得于黄昏向北山、大盘山突围，金华遂被日军攻占。
兰溪方面： 日军第１５师团第６０联队在飞机３０余架掩护下，２５日拂晓向百坎尖、高圣尖、石廓山之线守军第６３师外围阵地展开进攻。第６３师官兵坚强抵抗。２６日，沿兰江东岸南下的日军第１５师团一部协同正面日军围攻兰溪城，２７日竟日猛攻，第６３师外围阵地全被攻占，兰溪城陷入混战。２８日守军第６３师不得已陆续向城东白石塘一带突围，于是兰溪被日军攻占。日军第１５师团师团长酒井直次中将于２８日上午在距兰溪１５公里处被地雷炸成重伤，旋即毙命。日军战史称：“现任师团长阵亡，自陆军创建以来还是首次。”
５月２９日，日军进攻金、兰的第７０师团留守金、兰，第１５师团向龙游地区前进；第１３军其他各师团已进至龙游南北之线集结，准备进攻衢州。中国第８８军指挥的第７９师、第６３师及新２１师、挺进第１纵队亦均已到达预定地域，继续以侧击、伏击遮断日军增援及补给路线，策应衢州战斗。原在汤溪、龙游地区防守的暂第１３师及第４０师分别转移至灵山镇、大洲镇附近。第三战区长官司令部已移至福建建阳，在崇安境内武夷山上的武夷宫设立战区指挥所。
（二） 衢州地区战斗
第三战区第８８军的第６３师等部在金华、兰溪一带抗击日军时，战区对衢州地区的防务，在原计划基础上作了适当的调整： 令第１０集团军指挥第８６军、第４９军、第７４军担任衢州及其以南地区的作战，指挥所位于后溪街；令第３２集团军指挥第２５军、第２６军担任衢州以北地区的作战，指挥所位于常山（旋又移至华埠）。其作战方针是： 以１个军固守衢州，诱敌胶着于衢州外围，尔后以４个军实施南北夹击，包围日军而歼灭之。其具体部署为：第86军并指挥第４０师固守衢州城郊及其以南的大洲镇；第７４军位于大洲镇东南的溪口、湖山、湖南地区；第４９军位于衢州以西的招贤、航埠地区，其暂１３师位于北界、灵山一带，掩护第７４军右侧翼；第２６军位于衢州西北的峡口、芳村地区；第２５军（欠第４０师、第５２师，指挥第１４５师、第１４６师）位于峡口以北的大同、上方地区。
以上５个军，5月底以前均已先后到达了预定的地区，进行战备。
５月３０日，日军第１３军侦知第三战区在衢州附近集结兵力，判断第三战区军“企图进行顽强抵抗”，于是设想“将第１５师团转移到衢江南岸地区，保持重点于左翼，由衢州两侧地区突破并分割敌阵地，一举歼敌于战场”。同时“将小江旅团对丽水方面的作战推迟到衢州进攻战以后再开始，而将该旅团调至龙游附近（该旅团５月３０日已在永康、武义间集结），防备北方的第２６军及南方号称精锐部队的第７４军的侧击”。据此设想，第１３军于５月３０日在金华指挥所下达了甲字第１０３号作战命令。其要点如下：〔１１〕
第３２师团应于６月１日开始行动，黄昏以前进入上源、泰山埠一线，从６月３日拂晓开始攻击当面的敌阵地，尤应以一部沿大源岭（衢州西北２２公里）、芳村集地区，向常山方向挺进，断敌退路。
第１１６师团应于６月１日黄昏前进入天震岗（衢州北９公里）、大康一线，从６月３日拂晓攻击当面敌军阵地。
河野旅团应于６月１日开始行动，黄昏以前进入下山溪左岸高地，从６月３日拂晓攻击当面敌阵地。为使第１５师团转进，应于５月３１日１２时后打开连结龙游、曹家一线以东道路。
第１５师团应速向龙游南方地区转进，６月１日由雨井、树底附近出发，黄昏以前进入下山溪左岸高地，自６月３日拂晓攻击当面敌阵地。
第２２师团应于６月１日开始行动，黄昏以前进入厌山、白西坑一线，自６月３日拂晓攻击当面阵地。
小江旅团应于汤溪，主力集结龙游，应特别警戒遂昌、宣平方向。
军指挥所６月１日虽由此地出发，黄昏以前抵龙游（第７０师团担任后方警备）。
６月１日，日军各部队均已到达规定的进攻出发地位，第１３军战斗指挥所也由金华推进至龙游。６月２日，第１３军令小江旅团派出１个支队（以１个步兵大队、１个山炮中队为基干组成），进至灵山镇附近，对南方警戒，掩护军的左翼侧；令第７０师团以一部兵力担任龙游警备，并确保至金华的后方交通线。与此同时，其他第一线各部队均派出一部兵力驱逐守军的警戒部队及攻击守军的前进阵地。至当日晚，相继进至守军主阵地带前沿阵地之前。
６月３日拂晓，日军第３２师团、第１１６师团在衢江以北，河野旅团、第１５师团、第２２师团在衢江以南对衢州发起全线攻击。当时负责衢州城郊防守的第８６军兵力部署为： 第６７师附第１６师的第４６团主力及１个独立炮兵团，防守衢州城东南樟树潭、西伯陇及飞机场等处据点群阵地；第１６师（欠第６４团）附１个山炮营，防守衢州城西北茂坞、九里山一带据点群阵地；第１６师第４６团第２营防守衢州城核心阵地；第８６军军部及直属队位于衢州城内南部。
衢江以南守军第一线的第５８师、第４０师及第６７师分别与日军第２２师团、第１５师团及河野旅团激战终日，第５８师撤至黄坛口一带，第４０师及第６７师先后撤至乌溪江西岸防守。至傍晚时，日军各部队均进至乌溪江东岸，其第１５师团一部突进至乌溪江西岸，迫使第４０师再退至棠埭坞。
衢江以北守军第１６师茂坞、孔家山等处阵地全被日军第３２师团攻占，部队大部溃散及伤亡，师长曹振铎率残部退入城中与其第６４团会合。日军第３２师团一部进抵距衢州城北门仅２公里、衢江北岸龚家埠一带；其主力继续进攻石梁市附近阵地。守军第１０５师退至西镇。
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（本会战后，莫与硕和其参谋长胡炎被判有期徒刑５年，曹振铎亦以作战不力而被撤职）。衢州防守战斗由副军长陈颐鼎接替指挥。
第三战区认为衢州主力战斗已经开始、决战时机成熟，于当日晚下令各部转移攻势。其命令的主要内容为：〔１２〕
（１） 战区决心确保衢州阵地，消耗疲惫敌人，着控置在衢州南北之主力，于明日（4日）拂晓前完成出击准备，以衢州阵地为轴，夹击歼灭敌人。攻势转移时机另定。
（２） 各集团军的任务如下：
第２５集团军，除原有任务外，暂３２师即日开始行动，切断东阳江水道并牵制敌人；暂９军主力应努力向汤溪、龙游敌后挺进，切断龙游以东敌水陆交通。
第１０集团军，应严令第８８军切断敌后方联络，督饬衢州守军死守阵地，并即推进第７４军，预定以衢州阵地为轴，由大洲镇及其以西地区转移攻势，压迫敌于衢江南岸歼灭之。为策衢州阵地南翼之安全，应以第４９军的第２６师主力占领岭底背亘西山之线，尔后迅以第７４军派队接替，使该师归还为战区预备队。
第３２集团军，应严令富春江左岸各部队努力切断敌后联络，巩固淳安、寿昌要点，并确实掌握石梁市。以第２６军分由石梁市、外宅村、杜泽、峡口市、叶村市、后徐镇等处出击，置重点于石梁市一带地区，攻击敌侧背，压迫敌于衢江北岸而歼灭之。由杜泽以东进出之部队，应先期出击，使重点方面之决战容易奏功。
第４９军（欠暂１３师）除第１０５师之1个团应固守常山港北岸、柘溪村至石梁市（不含）之线外，该师主力迅速进出常山港，集结航埠以北地区；第２６师主力暂归第１０集团军指挥，占领岭底背亘西山之线，俟交防第７４军后，仍归还该军，控置后溪街及江山港以北地区，保持机动。又该军对江山港、常山港与衢江合流处以西地区应负责警戒，保障衢州阵地西侧之安全。
日军第１１军为策应第１３军在浙江的作战，于５月３１日夜从南昌附近渡过抚河，向第三战区西部第１００军防线发动进攻。６月３日，当日军第１３军开始对衢州发动总攻时，第１１军占领了进贤，并逼近临川。军事委员会决定改变原来的作战计划，于４日电令第三战区“避免在衢州决战”。电文主要内容为：
（１） 国军以保存实力、机动打击敌人之目的，决避免在衢州附近决战。
（２） 第８６军主力应依衢州既设阵地，持久抵抗，竭力打击、消耗敌人。
（３） 衢州附近我主力各军应向衢州及其以西铁道两侧地区妥为分散配置，准备尔后侧击沿铁道两侧突击之敌。特须注意，我的企图、行动须绝对保密。
（４） 第１００军应竭力持久抵抗，打击消耗敌人。
（５） 在敌后各军应积极游击。
（６） 破坏铁道及疏散物资应即实施。
第三战区遵令部署如下：〔１３〕
（１） 第１０集团军
第８６军应竭力利用既设阵地，消耗敌人，以一部死守衢州，主力待命由江山港、常山港间地区向峡口、保安街间转进，在该地及仙霞岭附近构筑阵地，并迅速整补。
第７４军指挥暂１３师应与敌保持接触，利用灵山镇、大洲镇、黄坛口以南山地，阻止、打击窜犯之敌，并对沿铁道两侧突进之敌作好侧击的准备。该军第５７师迅速占领江山城及其以东地区，重点保持在江山港以东，掩护第４９军向后转进。
总部尔后在二十八都指挥。
（２） 第３２集团军
第２６军应以一部与敌保持接触，主力迅速转移到芳村镇及常山城附近占领阵地，俟第２５军主力到达芳村镇、常山城时，该军即逐步转移到玉山控置，以一部沿常山至玉山道路择要扼守。
第２５军除留置第１４６师在上方镇、大同镇及寿昌一带地区积极活动外，应派出一部进出杜泽、外宅、石梁市各隘路口袭扰敌人，策应衢州守军作战。该军长率第１０８师、第１４５师向芳村镇、常山城转移。如敌突进常山城，该军主力应利用常山到华埠间山地择要扼守，以一部掌握衢州以北山地，待机侧击突进之敌。
该总部俟第２６军、第２５军概就玉山、常山位置时，应移至上饶指挥。
（３） 第４９军（欠暂１３师，并指挥第４０师）即归第１０集团军指挥，联系第７４军，占领仰于坪、东山、前河街沿江山港西岸、常山港南岸到招贤镇之线，与常山港北岸我第２６军切取联系，对敌由常（山）以东向江山以北之窜扰应特慎警戒。
由于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铁路桥（已炸毁）处以橡皮舟潜渡乌溪江，但在守军第６７师阻击、反击下，已渡者全被歼灭。衢江以北日军，第３２师团于傍晚进至东镇（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。
守军各军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。由于接到“避免决战”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，突破六马桥阵地，守军第６７师退守衢州南关；日军第２２师团一个