卫立煌军团出现在永州，对于日军来说绝对不是什么好事。国民政府军一大特色是，有什么样的将领就有什么样的部队，如果将领是个软蛋，那么部队就是一坨糊都糊不上墙的烂泥巴；如果将领是个铁骨铮铮的硬汉，那么部队就是一支敢打敢拼、死战不休的铁军。卫立煌可是敢在华北大平原跟冈村宁次刚正面，并且从冈村宁次手里收复郑州的狠角色，这战绩比薛岳在长沙那一堆所谓的大捷更难得————这是国民政府军第一次通过主动进攻将日军从一座省会城市中赶了出去，而且是在对日军最为有利的华北大平原上正面对攻中取得这样的战绩，更为可贵，这样的人物统率的军队自然不会差到哪里去。他麾下三个军更是让英国佬恶心了个够，怒火冲天，准备拿日军当出气筒了。他们不足以击败横山勇麾下那庞大的军团，但也足够给横山勇制造非常大的麻烦了。
卫立煌最头疼的问题就是没有装甲部队。面对死硬死硬的日军，没有装甲部队作开路先锋，仗是很难打的，远征军有一些坦克，但他不能带，他把那些坦克带走了，接下来的腾冲战役就很难打了。再说，从云南到湖南，如此遥远的距离，大多数地方根本就没有铁路，也就别指望铁路运输了，坦克从云南一路开到湖南，只怕早就散架了。在回师的路上，他又带着一批在龙陵战役中缴获的翡翠飞了一趟延安，跟八路军总司令倒了一把苦水，总司令很仗义的表示：
我们手里有一批坦克，可以迅速通过空运运抵零陵机场，充当你们进攻的拳头。数量？数量不少，就是装甲很薄弱，不知道你们敢不敢用？
卫立煌表示是坦克就行了，管他装甲厚薄————老子现在都恨不得在汽车上焊钢板当坦克用了！
于是，当他率领先头部队赶到永州的时候，八十多辆坦克已经在零陵机场的仓库里等着他了。这些坦克装备一门76毫米口径坦克炮，最大公路时速达到恐怖的八十公里，速度快，火力猛性能之优良，连美国佬都惊叹不已。唯一的缺点就是总重才八吨，装甲太薄了，也就比豆战车强一点点而已。但这个缺点在国民政府军坦克兵看来根本就不能算缺点，从抗战爆发到现在，他们一直是开着薄皮坦克跟日军厮杀，早就习惯了。干他们这一行，能在战场上撑足一年就算爹妈多给了两条命，还指望寿终正寝不成？
七月二十五日，日军修通了被中国军队破坏掉的长衡公路，将海量的弹药用汽车运输至衡山，然后由驮马辎重部队向衡阳转运，补充给攻城部队。与此同时，日军第64师团、派遣军直辖的松井部队和又一批野战补充队兵员到达长沙，并且从长沙南下，补充给衡阳城下各师团，换句话说，在过去近四十天的血战中损失惨重的那几个师团现在已经是满血复活了。一切准备停当，横山勇倾尽全力，向衡阳城发动空前猛烈的进攻，炮火染红了天空，硝烟熏黑了衡阳的城墙和守军的脸庞。整整六个师团的庞大兵力，雪崩般压向衡阳城，这座已经跟他们鏖战了数十天之久的英雄城市。
拼到现在，第10军也到了难以为继的地步。他们不管是物资还是心理，都是按坚守半个月来准备的，现在都拼了三十多天，部队伤亡惨重，援军迟迟不至，再顽强的部队都撑不住了。但即使是这样，日军在发动进攻的时候仍然遭遇了极为顽强的抵抗。八路军航空兵和中美联合航空队几乎是倾巢出动，八路军的普卡拉攻击机在衡阳上空大开杀戒，试图轰炸衡阳的日军战机来一架他们杀一架，来两架杀一双，有来回。中美联合航空队动用大批B-24和B-25轰炸机对攻城日军实施疯狂的轰炸，凝固汽油弹成了日军的噩梦，条条火龙从天而降，将大批大批攻城的日军士兵情吞噬。日军唯一值得庆幸的就是不知道为什么，可怕的火凤凰轰炸机和雷霆远征战略轰炸机没有再在湖南战场露面，否则他们的日子会更加难过。
守城的部队在强有力的空中支援下沉着应战。过去几十天里，八路军的运输机没少给他们空投补给，其中就包括大量武器弹药，打了这么久，他们不仅不缺乏武器，还从头到尾换装了一轮，MG-42通用机枪、波波沙冲锋枪、莫辛纳甘步枪、改用弹链供弹的捷克式魔改……应有尽有，手榴弹？随便扔，扔到吐都扔不完。日军一次次进攻，都被机枪、迫击炮和手榴弹砸了回去，在守军阵地前留下层层堆叠的尸体。
八月三日，日军第116师团迭经苦战，终于占领了当面一个啃了几十天都没啃下来的山头。直到现在他们才发现，山头上的战壕里蓄满了齐腰深的污水，战死的中国士兵在污水中泡得惨白肿胀，鲜血将污水染成了暗红色，可见守军一直是泡在血水中跟他们苦战的。
八月六日，第58师团终于从北门攻进了衡阳城中。然后他们就发现自闯进了马蜂窝里，机枪火力从四面八方射来，手榴弹从马路两边的建筑物窗口后面冰雹般砸落，打得他们死伤累累，寸步难行。
守军的处境已经非常艰难。
方先觉用电台向重庆发报：
敌军已经从北门冲进来，城内已可用之兵，再得不到增援，生等只有以死报国了！
重庆方面回复：
再坚持三天，三天内就会有至少一个军打到衡阳城下，增援你们！