“中国派遣军”为了策应第11军作战，在日军进攻长沙期间令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队向湖南调动。6月10日第70师团沿铁路两侧攻击前进，12日攻占龙游，以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗。第105、第145、第146师亦投入反击。但在日军驻金华的独立步兵第104大队来援后，守军退守衢州城。6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。守军撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭，伤亡甚大。日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军，反而损失1000余人。日军占领衢州后，认为牵制任务已经完成，于27日开始撤回金华。
２． 衡阳及湘中地区战斗
日军第11军在开始向长沙发起总攻的6月16日即向各部队下达了在第九战区失守长沙、宁乡等地后，乘其混乱、尚未组织起新的防御体系之前迅速突进攻占衡阳的命令，因而预定用以攻击衡阳的第68师团及第116师团在长沙尚在激战之际即渡过浏阳河南下，在长沙弃守时已进至株洲及其以东的清江铺地区，尔后准备沿湘江两岸向南快速推进，直趋衡阳。东路日军第3师团及第13师团占领浏阳后即继续向醴陵、萍乡前进，并准备向攸县、安仁、耒阳（耒县）推进。湘江西岸的西路日军第40师团于19日攻占宁乡后亦继续南下湘乡，并准备向衡阳以西的永丰、渣江前进，与东路日军遥相呼应。
长沙失守后，军事委员会为保卫衡阳、阻敌深入，于6月20日对第九战区下达了如下作战命令：
“（１） 国军以阻敌深入、确保衡阳为目的，以一部于渌口、衡山东西地区持久抵抗，以主力由醴陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东夹击深入之敌而歼灭之。
“（２） 王副长官指挥72军、58军、26军，速击破醴陵东北地区之敌，攻击敌主力之左侧背。
“（３） 杨副长官指挥20军、44军，先击破醴陵以北地区之敌，尔后转移于王副长官所部之左翼，协力向西攻击敌人。
“（４） 欧副总司令指挥37军、暂2军及第3师，在渌口、衡山间坚强持久抵抗，阻敌之深入。
“（５） 王总司令耀武指挥73军、79军、99军、100军及4军之残部，向湘江左岸之敌攻击，但以一部守备湘乡。
“（６） 李副总司令玉堂指挥10军、暂54师，固守衡阳。
“（７） 第七战区开来之62军仍归本会直辖，控置于衡阳西南地区待机。”〔１８〕
日军通过空中、地面侦察，根据中国军队的集结、调动情况，再结合以往的一贯战法，大致上已判断出军事委员会集中兵力分由东、西两面实施夹击的战役企图，遂令东、西两路日军集结兵力，加强对醴陵、宁乡方面的作战，以掩护中路日军进攻衡阳。
东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后，仅以一部兵力继续南下。而以主力向东进攻准备实施夹击的中国军队，在刘公庙附近重创第26军，并迫使第58、第72军向东撤退，于22日占领了萍乡。日军第3师团亦于萍乡以北地区击溃了第58军。军事委员会计划的反击作战已无法实现。
西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南下，在湘乡以北击退第73、第74军，于22日攻占湘乡。守军新23师（附第92师1个营）退守石狮江、三枣。与此同时，中路日军第116师团的第133联队，亦向东进攻，配合第40师团，在湘乡东南的东台山一带击退守军第32师。至此，第40师团即暂停南进，集结兵力准备与由西北南下的第24集团军作战。
中路日军第116师团和第68师团在日军总攻长沙之前，即已于6月13日和16日分别轻易地占领了株洲及清江铺。守军暂2军退守渌水南岸。配属第116师团的第68师团第133联队则西进，占领了湘潭。守军新23师退至涟水以南，转移到东台山一带。6月19日，第116师团（附第68师团的第57旅团）由株洲附近西渡湘江，分两路各沿湘江西岸及易俗河向衡阳前进；第68师团（欠第57旅团）由石亭附近渡过渌水，击退暂2军后沿湘江东岸向衡阳急进。第68师团于23日即已突抵泉溪市附近，并渡过耒河，击退暂54师的警戒部队。24日傍晚，以一部西进，进攻五马槽衡阳外围阵地，主力经赤水塘西渡湘江，向衡阳以南迂回。迄27日，日军第116师团进至衡阳城西郊，突破守军第3师阵地，逼抵瓦子坪、虎形山主阵地前；第68师团一部突破五马槽第190师前进阵地和冯家冲主阵地，并攻占了飞机场；主力则突破衡阳城南黄花岭、欧家町预10师的警戒阵地，进至铁路线预10师的主阵地前。至此，衡阳已处于日军的三面包围之中。
衡阳位于湘江中游，系粤汉铁路和湘桂铁路的交会点，是第九战区的重要战略基地之一。该城东端紧临湘水西岸。防守衡阳的部队为第10军，下辖第3师、第190师及预10师。第190师及暂54师原在湘江以东，日军第68师团独立第64大队攻占湘江东飞机场，将190师及暂54师从中间割断后，第10军为集中兵力、缩短防线，于26日夜将该两师调回湘江西岸衡阳市区。其中第190师是后调师，仅有1个第570团是个完整的团，其余各部均仅有干部；第3师有1个团尚在衡山附近。另外还配属有暂54师（欠2个团）及48师的战防炮营、第46军的1个山炮连和第74军的野炮营。此时在衡阳的防御部署是：第3师防守衡阳西北部，预10师防守衡阳西郊，第190师防守衡阳南郊，暂54师防守衡阳北郊。
6月27日夜，日军完成了攻城的准备。其部署是：第68师团的独立步兵第64、第116大队位于湘江以东衡阳飞机场附近，第58旅团（独立步兵第65、第115、第117大队及配属师团的独立山炮兵第5联队）位于湘江以西衡阳南郊黄沙岭一带，第116师团的第109、第120联队及炮兵第122联队位于衡阳城西南和城西地区，第57旅团（有步兵第61、第62、第63大队及炮兵第5联队第3大队）位于衡阳西北小西门、体育场、蒸水桥一带。
6月28日拂晓，日军发起总攻。守军各部队在炮火支援下坚守阵地，并不时予以反击。激战终日，日军毫无进展。第68师团师团长佐久间为人及其参谋长原田贞三郎等被炮击负重伤，由第116师团师团长岩永汪统一指挥两师团。29日日军仍毫无进展。岩永汪将衡阳以西四塘附近担任侧背警戒的第133联队投入战斗，与炮兵第122联队协同，企图于7月1日进攻城西坚固据点张家山。激战至7月2日，除主攻方向上经多次反复争夺的张家山被日军第133联队攻占外，其他方面的守军均击退日军的多次进攻，守住了阵地。
由于守军的英勇抗击，日军连续猛攻5日，损耗了大量人员和弹药，仅推进了1000米。第11军为补充弹药和休整战力，决定于7月2日夜暂停进攻，预定7月11日再重新发起进攻。
守军为增强防守力量，乘日军暂停攻击之机，调第3师留置衡山附近的第8团归建。该团于5日8时许从何家塘、望家坳间突破日军包围圈，冲入城中。由于日军主攻方向始终保持于城西南郊，守军为加强该方面的防守、彻底形成重点，重新调整了部署：令第3师（欠第7团）南移占领天马山、岳屏山、接龙山、五桂岭高地，建立第二线阵地；第3师所遗城西北防务，除易赖庙的前街及青山街、杨林庙主阵地仍由第7团防守外，其余均交由第190师接替；湘江西岸的警戒，以铁炉门为界，以南由暂54师负责，以北由第190师负责。
中路日军进攻衡阳期间，东路日军第3、第13师团连续攻占攸县、安仁、进抵耒阳；西路日军第40师团亦已攻占衡阳西北仅35公里的渣江，衡阳守军已完全陷于孤立。但在西路日军后方，守军第30集团军曾实施反击，6月28日收复萍乡，7月4日进攻醴陵，几乎全歼日军骑兵第3联队。日军第27师团等部队前来增援，于10日又夺占醴陵。
日军第68、第116师团经休整补充及加强炮兵后，于7月11日上午开始第二次攻击。此时第６８师团已由堤三树男接任师团长。第116师团的120联队在其飞行第44战队、野炮兵第122联队及独立野炮第2联队掩护下，向城西南预10师第一线阵地要点虎形山发起猛攻。激战至12日9时，守军伤亡重大，阵地为日军突破。第3师抽出1个营增援反击，经白刃战后，营长阵亡，士兵死伤四分之三，未能收复阵地，退守西禅寺。激战至15日，第一线阵地多处被突破，第二线增援部队经反复争夺，又收复一些要点，两线阵地犬牙交错，战斗极为激烈。第10军为加强城西南的防御纵深，又令第190师在接龙山、雁峰寺、中正堂一带建立第三线阵地。迄16日，第一线阵地枫树山、军舰高地等俱为日军突破。第10军遂将第一线阵地全部放弃，以第3师及预10师残部合力防守第二线阵地。此时，城西郊日军第57旅团亦已推进至距小西门不足1000米之处。由于守军防御正面缩小，所以人员伤亡虽众，防守强度和火力密度却减少甚微。7月17日、18日，日军进攻势头下降。经连日激战，日军主攻方向上的第116师团第120联队联队长和尔基隆大佐及第133联队的3个大队长相继被打死，每大队所余兵力不足100人，而且弹药已严重不足，攻坚战斗已难以为继。日军第11军不得已再次下令于19日起暂停攻击。
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”，但衡阳外围各兵团在东、西两路日军的阻击下有时连守都守不住，被迫不断后撤，当然更无力击歼两路日军、解衡阳之围了。这虽然不一定像当时第九战区参谋长赵子立事后所说的那样：“外线友军是愈打愈远，而内线的敌人愈打愈近”，但外围兵团，特别是湘江以东的各军始终未积极向衡阳突进则是事实。
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。电令主要内容为：
“（１） 我衡阳外围援军，应集中全力，先突破衡永公路附近之虎形山及汽车西站以西敌人阵地，再图扩张战果。
“（２） 62军应以一部监视衡阳南侧之敌，集中步炮主力，于黄泥坳附近向虎形山及其东南地区之敌阵地突击。突2纵队即沿公路由黄泥坳西南地区向汽车西站、虎形山方面推进，归入黄军长之指挥。
“（３） 79军应集中主力，由贾里渡方面向汽车西站以西敌阵地突击，以收夹击之效。
“（４） 63军主力应攻占望城坳，以策应各军之作战。
“（５） 空军应集中力量轰炸虎形山及汽车西站以西之敌阵地……”〔１９〕
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”。
军事委员会的电令（包括以前的多次电报）均被日军情报人员破译，因而日军对第九战区各部队的行动非常清楚。这次获得情报后，当即将电令内容通知各师团，并令第40师团占领衡阳西南、正西和西北约10至15公里处的七里山、两母山、二塘、城口墟、板桥、狭山冲一线阵地，堵截、阻击由西方来援的中国军队。同时令第57旅团归还第68师团建制，令第109联队归还第116师团建制，以便于指挥。
第62军一度突进至火车西站，但在日军第40师团的反击下，伤亡甚大，且弹药告罄，被迫撤退至盘右岭附近收容整理。第79、第74军主力及第100军之第319师亦被阻止于日军第40师团的堵截线之外。
7月29日，日军第11军确知专为补给衡阳地区的辎重车队预定8月4日前后可到达衡阳附近，部队也经过调整，遂于当日下达了攻击命令：确定8月4日开始第三次攻击，除令第68、第116师团仍担任主攻任务、于8月4日向岳屏山方向攻击外，另令第58师团于8月5日向衡阳西北方向攻击，令第13师团以一部兵力在湘江东岸以火力支援湘江以西的作战。
7月27日及8月2日，中国空军两次空投蒋介石的手令，鼓励第10军坚守衡阳待援。第一次仅说“余必为弟及全体官兵负责，全力增援与接济”，第二次则告知“各路增援部队今晨已如期到达二塘、贾里坡、陆家岭、七里山预定之线，余必令空军掩护，严督猛进”。8月2日，第62军及第100军确已到达三塘、两母山地区，第74军亦已到达佘田桥、新桥，第79军到达望城坳附近，与日军第40师团激战。第62军在进攻二塘、两母山时与日军第234联队进行了白刃战，予该联队以歼灭性打击。“其第3大队各个中队有的只剩下2人，最多的不过24人……各队伤亡累累，弹药又缺乏，尤其是手榴弹已消耗净尽，只好投石头对抗手榴弹充足的重庆军”。但由于第62军等在战斗中伤亡亦众，始终未能歼灭依托工事坚守阵地的日军残部，被阻于日军堵截线之外，未能与衡阳守军会合。在此期间的外围各兵团，除第24集团军遵照军事委员会的命令积极向湘江以西进攻衡阳的日军进攻外，湘江以东的第九战区各军没有进行积极有力的进攻。
8月4日，日军第68、第116师团对衡阳第3师及预10师阵地发起总攻。5日，第58师团（从长沙增援到来）由衡阳西北投入战斗，猛攻第190师阵地。激战至6日拂晓，第190师退守小西门及其以北的城垣。当日夜，日军第58师团一部从城西北角突入城内，西南方面岳屏山、天马山等阵地亦为日军第116师团突破。7日6时起，日军集中炮火先对守军进行了约2小时的炮火准备，尔后�