沿洞庭湖西岸进击、由青木指挥的右翼军兵力较小，纯系对六战区的援军起牵制作用。5月27日，青木率所部第四十师团及泷支队等，由藕池口、石首出动，在明山头、青鱼咀、三仙湖等地遭到守湖防的第九十九军艾叆第九十二师一部阻击后，31日窜抵天心湖，以汽艇三十余艘在大通湖登陆，6月1日与赤山岛北侧登陆的敌军会合，进占赤山岛。4日南下攻陷杨阁老后，即分兵一支东出沅江，经第九十二师阻击，6日城陷。接着青木即挥军南下，寻求王耀武兵团作战，以牵制王兵团东援长（沙）衡（阳）。
日第十一军司令官横山勇于6月上旬末大致完成了对我国军队主要阵地的进攻准备后，即对所部部署如下：
1．第四十师团在西方部署稍形孤立，夺取益阳后，再向宁乡推进，并攻克之。
2．第三、第十三师团，从浏阳的西北及东南两方面自10日开始向据守险峻山地的重庆军进攻。
长沙位于湘中，东西两翼为浏阳、宁乡，为湘南重镇衡阳之门户，故守衡阳必须守长沙，而守长沙亦必须置重兵于浏阳、宁乡以为掎角。薛岳除部署王泽浚第四十四军死守浏阳，王耀武兵团以三个主力师守宁乡外，并部署他自己和张发奎的起家部队张德能第四军固守长沙。张以第五十九师、第一○二师各一部守湘江东岸，作战地境为中山路、东车站、藕茅村南端高地、汽车路边一线，线上属第五十九师；以第九十师守湘江西岸，以炮兵主力配置于岳麓山，以一部及山炮营配置于长沙；并以军战车防御炮营配属于第一○二师、第五十九师各一连，分担江面封锁的任务。
日第一军司令官横山勇对长沙城的总攻击，由于等候海军扫雷疏通湘江航道，将军野战重炮第十四联队运到战场，以及岩永、佐久间师团肃清外围守军，故于16日傍晚始令第三十四师团对岳麓山发起进攻，17日攻下该山西北角及桃花山北角。守城指挥官张德能凭借岳麓山高屋建瓴，如被敌夺取，长沙城将难以固守，遂抽调守城之第五十九、第一○二两师渡河守岳麓，只留一个团守城。18日拂晓，山下指挥三十余架飞机轮番轰炸，又以重炮、毒气弹等集中袭击，岳麓山北、长沙市南的守军伤亡过半，岳麓山核心卒被攻破。毛利末广师团自15日发起战斗，连续攻下长沙城东南两方面的外围阵地后，于18日晨亦在飞机轮番轰炸配合下，于8时冲进长沙城东南角。张德能以长沙已失，遂下令守岳麓山的部队向西突围。到达永丰整顿时，号称"粤军之母"的第四军只剩下了二千余人。蒋介石追究张德能失城责任，于7月将张枪毙。
长沙既失，衡阳保卫战很快就提上了日程。横山勇认为夺取衡阳能否成功，关键在于能否击退三、六两战区的援军。他虽然夺取了长沙，但未能消灭九战区的野战军，而薛岳指挥的部队大部分都退到湘赣边界的万洋山脉西麓，显然有等待援军到达后歼灭深入日军之企图。为此，横山于攻下长沙后制定了如下作战方案：
一、派第六十八、第一一六师团向衡阳突进，负责攻占该地。二、预定向衡阳挺进的第三师团，于攻下浏阳后，使之担当击溃来自第三战区的增援部队。
三、使第十三师团于攻克醴陵后，经向攸县、安仁方面突进，负责摧毁并攻占重庆军今后进攻的据点。
四、以第四十师团的部分兵力，仍负责阻止并击溃第六战区的增援，特别要在攻取益阳、宁乡之外，还要进攻湘乡。
蒋介石为保卫衡阳，于6月20日作了如下部署：
（一）国军以阻敌深入确保衡阳为目的，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；
（二）王副长官指挥第七十二、第五十八、第二十六军迅速击破醴陵东北地区之敌，攻
击敌主力之右侧背；
（三）杨副长官指挥第二十、第四十四军先击破醴陵以北地区之敌，以后转移于王副长官所部之右翼，一部向西攻击敌人；
（四）欧副总司令指挥第三十七军、暂编第二军及第三师在渌口、衡山间坚强持久抵抗，阻敌深入。
（五）王总司令耀武指挥第七十三、第七十九、第九十九、第一百军及第四军之残部，向湘江右岸之敌后攻击，但以一部守备湘乡；
（六）李副总司令玉堂指挥第十军（欠第三师）暂编第五十四师固守衡阳，但第四十六军仍归第四战区序列，其新编第十九师即开全州、黄沙河。
（七）第六十二军仍归本会直辖，控制于衡阳西南地区待机；
（八）对战场交通之破坏，务以预定计划加强。
根据横山勇的作战方案，除山本、赤鹿、青木等左右翼部队分头出动外，其中路军佐久间第六十八师团和岩永旺第一一六师团于长沙攻陷后亦乘隙兼程南下。佐久间师团沿铁路南进，21日击败沈发藻暂二军，夺取株洲，24日白天，冒着美军飞机的轰炸渡过洣水，沿湘水东岸向南突进。同时岩永师团亦冒着美机百架次穿梭式的轰炸，在株洲、易俗河间渡过湘江，尔后沿湘江西岸向南挺进。虽然遭到方先觉军周庆祥师的抵抗，终于25日窜抵南岳，至此揭开了衡阳保卫战的序幕。
衡阳位于湘南，粤汉铁路经此通过到广州，湘桂铁路由此通镇南关（今睦南关），向来为两粤门户。抗战后又修建起巨大的飞机场以供美军飞机起降，轰炸日军之用。为保卫这一战略重地，蒋介石将其嫡系精锐--以两保长沙，驰援常德著名的李玉堂第十军附一个新编师组成防卫衡阳的城防兵团。李玉堂以容有略第一九○师、饶少伟暂编第五十四师守湘江东岸；以葛先才预备第十师和桂军蒋雄新编第十九师守衡阳市区。6月20日，蒋介石对保卫衡阳作了部署后，薛岳根据蒋的指示，将蒋雄师归还第四战区序列，开全州、黄沙河固广西边防。随后命第二十七集团军副总司令李玉堂率所部（由第三师接蒋雄师防地）保卫衡阳，其具体部署如下：
（一）仍以第十军及暂编第五十四师扼守衡阳市郊之既设据点工事，第六十二军控制于谭子山、曾坪附近，待敌渡过湘江及蒸水进犯时，内外夹击，压敌于湘江西岸及蒸水南岸而歼灭之；
（二）敌主力沿铁路或长衡公路向衡阳进犯时，守城部队务坚强固守，以机动部队由东阳铺、柿江桥方面向东北侧击，压敌于蒸水南岸而歼灭之；
（三）敌如由醴陵、攸县向衡阳迂回进犯时，则守城部队务坚强固守，以火力逆袭，消灭敌人于阵地前，机动部队即由车江纲头向北压敌，与守城部队夹击而歼灭之；
（四）敌如以小部队由湘乡南窜，则以机动部队乘敌半渡蒸水之际截击而歼灭之；
（五）敌如由长衡公路及湘乡方面同时进犯，则以机动部队先将外围之敌击破后，再会同守城部队夹击衡阳附近之敌；
（六）江东岸部队必要时留置一营警戒各渡口，主力撤于城内，加强城内守备。
日军佐久间为人、岩永旺两师团突进到衡阳外围后，一面留置主力于衡阳外围的泉溪市、白鹤铺、金兰市诸要点，截断援军；一面分遣部队向衡阳守军发动进攻。6月25日，佐久间先头部队松山支队向防守飞机场的容有略、饶少伟两师阵地发起猛攻，在五马归槽展开激烈战斗。该师主力在东阳渡以西渡过湘江，直扑衡阳南郊，岩永师团亦推进到望城坳，进攻衡阳西南郊。容、饶两师遂破坏机场设备，于27日移守衡阳城。佐久间和岩永两师团于27
日晚面商，命令两部于28日拂晓对衡阳发动总攻。岩永以步兵一○九、一二○两联队从西面和西南侧向衡阳进攻；佐久间以太田旅团主力对停兵山及其以东直至湘江岸南面阵地发动进攻，均遭到了我国军队的顽强阻击。志摩旅团也无进展。佐久间师团因弹药缺乏火力弱，致步兵徒遭伤亡，而佐久间及师参谋长原田贞三郎及参谋等多人反被我军炮火击伤。岩永师团与我军争夺的焦点为衡阳西南的张家山。岩永29日命一二○联队夜袭失败后，即调来野炮第一二二联队，协助第一二二、一二三两联队于7月1日拂晓再度发起攻击。我军只有一连人守制高点，敌人以两个步兵联队在炮兵联队的支援下，在遭受重大伤亡后，始于7月2日攻下张家山。由于佐久间、岩永两师团伤亡惨重，只大队长就死伤五名。铁路、公路均被破坏，只能利用马匹驮运辎重，补给困难。而衡阳我军阵地又极巩固，横山遂于7月3日下令停止进攻。
我军衡阳守军的主阵地系从辖神渡经瓦子坪、衡阳西南1.5公里处、张家山两侧高地，连结铁路北侧高地一线，北面为贾里渡以西，靠近泛滥的蒸水。岩永师团虽然以重大伤亡的代价夺取了张家山，但只攻破了主要抵抗线的一角，主阵地仍很广深。故自7月15日起，岩永指挥一一六、六十八两师团再度发起进攻，两军胶着于青山街、杨林庙、五桂岭、电灯厂等地，激战多日，毫无进展。至7月20日，横山的攻势再度被守城部队粉碎。
为援救衡阳守军，蒋介石以"漾（23日）令一元电"派副参谋总长白崇禧前来协同薛岳指挥作战，并调李天霞、罗奇、王甲本、黄涛四个军归李玉堂指挥组成兵团，以解衡阳之围。2月16日，罗奇军第六十师由泉溪市向五马归槽飞机场；黄涛军以一部钳攻白鹤铺，主力转向衡阳西南角；王甲本、李天霞两军分别向衡阳西北角及金兰市猛攻。激战至20日，罗奇军第六十师攻占长岭铺；黄涛军攻占黄巢岭、欧家町、托里坑、火车西站东南角，与守城的方先觉军已隔山相望；王甲本军攻占贾里渡、铜钱渡；李天霞军攻达望城坳、樟木市、金兰市等地。这时岩永旺、堤三树男（佐久间被击伤后继任师团长）两师团攻城月余不下，已师老兵疲。但因李玉堂指挥无方，虽援兵大集，但战斗力不强，又无预备兵团，被敌人反击即行撤退，难解衡阳之围。
根据蒋介石的作战部署，薛岳、王耀武指挥东西两路大军积极作战。为配合长沙保卫战，薛岳指挥鲁道源、杨汉域、傅翼、罗奇、丁治磐等五个军，于6月15日包围赤鹿师团于上栗市、白鹿潭、大瑶铺，由于山本师团援救，未将其歼灭。以后山本、赤鹿两师团为配合中路军进攻衡阳，并为以后打通粤汉铁路南段的战斗作准备，即分头南下。18日，山本师团攻下醴陵，23日赤鹿师团进占萍乡，接着又继续南窜，24日攻陷攸县，又向安仁窜扰。薛岳指挥所部与山本、亦鹿两师团拉锯于醴陵迄安仁间，迟滞了敌人的前进，但不能将敌人歼灭，使赤鹿师团于7月6日东下渡过洣水，窜入耒阳。14日，山本师团夺取茶陵，威胁反攻衡阳的第七战区部队右侧翼的安全。
王耀武指挥所部阻击日右翼青木师团，经过四天的激烈战斗，青木于6月19日攻占宁乡后，为配合中路军夺取衡阳，于7月6日又开始南下，8日窜抵永丰、金兰寺。12日陆续向衡阳西南挺进，击破衡阳外围之黄涛军。18日进占白鹤铺，担负起阻击四、六战区援军的任务。
为解衡阳之围，白崇禧根据蒋介石的指示，于7月25日指挥李玉堂兵团再次发动攻击。
战斗到28日，罗奇军第六十师攻占林木塘、回龙庵；黄涛军攻占木厂边、龙家町；王甲本军攻占二塘，渡过蒸水南岸；李天霞军第六十三师攻占望城坳，第十九师攻占谭子山；施中诚军第五十八师击溃元公寨之敌，向演陂桥追击；黎行恕第四十六军亦派军攻击衡阳西南的日军。但这时畑俊六派遣的援军赤鹿、青木、毛利等师团纷纷赶到衡阳外围，29日向我国的援衡大军进行反扑。罗奇军第六十师被迫退回耒河东岸；黄涛第六十二军退回车江小岭、魏家铺、灵官巷；王甲本第七十九军退回蒸水北岸；李天霞军第六十三师退回望城坳西北。
此时的形势，我军本已失去解围的时机，但前方将领囿于蒋介石的严令，仍于8月2日再度发起攻击。罗奇军第六十师攻达全溪市，黄涛军攻占七里山，黎行恕军新十九师与李天霞军第十九师攻占两母山、大旧塘、杨柳井；施中诚军第五十八师攻占鸡窝山；王申本军攻抵贾里渡、铜钱渡、集兵滩；李天霞军第六十三师攻抵樟木市、江柏堰等地，结果仍遭敌军反击，被迫撤退。
方先觉第十军自6月25日在衡阳外围与敌接触，27日退入城内固守，已与岩永、佐久间两师团搏斗月余，其间曾两度粉碎横山的攻势，敌人伤亡惨重。但三万守军被困孤城，日军飞机狂轰滥炸，房舍全部被毁，官兵终日处于烈日烘炙与雨淋中，除米与食盐外，别无副食佐餐，以致体格虚弱，疾病丛生，战斗力日益下降。但广大爱国官兵为保卫祖国仍视死如归，与敌人拼搏。8月初，横山勇将集结在衡阳战场的日军作了区分：以青木、赤鹿两师团专事阻击外围援军，以岩永旺、堤三树男、毛利末广三个师团，在关东军山下第五航空军机群的掩护下，专事攻城。8月4日，岩永师团从西站经岳屏西侧通往衡阳市街的公路一线进攻市街以西地区；堤三树男师团以志摩旅团攻岳屏和寺庙两高地；新接防的毛利师团野沟、古贺两旅团从衡阳城西北及北侧向城内进攻。堤三师团以志摩、太田两旅团的兵力，在炮火的掩护下进攻马天山、西禅寺、苏仙井高地，几次冲锋和夜袭均被我守军击退。但岩永师团之黑濑联队却于5日攻下两母山、大旧塘，6日起岩永、堤三两师团在大队飞机轰炸的掩护下，进攻西禅寺、天马山、五显庙、岳屏山及五桂岭以北之新街、电灯厂诸阵地。至午，西禅寺、花药寺南端的X高地，在岩永师团儿玉联队的拼死攻击下被其夺取。儿玉居高临下，以机枪的密集火力掩护第一线的黑濑联队顺利前进。7日晨，毛利师团以两个大队的兵力从小西门突入城内，守城部队反复肉搏，未能将入城敌人消灭。接着，毛利续派主力突入城内，与守城部队展开激烈巷战。李玉堂督促外围援军拼死攻击，但至8月8日晨守城部队力竭，方先觉下令投降。总计阵亡官兵一万余人，被俘军长一人，师长四人及官兵一万三千三百余人。
衡阳保卫战历时四十七天，战至最后，虽然方先觉下令放下武器，但广大爱国官兵为保卫祖国土地流血牺牲，视死如归，与敌人拼搏，使敌人死伤师团长佐久间为人、师参谋长原田贞三、联队长和尔及大队长以下一万九千余人，予侵略者以严惩，其英勇战绩永远值得人民的怀念。
二长衡会战之中日双方战斗序列
（一）中国军队方面
第九战区司令长官薛岳副司令长官王陵基杨森第二十四集团军总司令王耀武。