前奏
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衡陽保衛戰紀念館里展示的衡陽保衛戰將領照片
進駐衡陽
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6月2日，第10軍軍長方先覺率領部隊進駐衡陽，與原守城第54師饒少偉會合。5月29日，中華民國國民政府軍事委員會電令：「國軍以確保西南中美空軍基地基安全，遲滯日軍進攻，守衡陽之兩個星期，有效阻敵深入」，第54師饒少偉接獲電令。
戰局部署
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方先覺軍長和各師長檢查了衡陽外圍的國防工事，發現陣地範圍太大，現有軍力不能周密防守。經過研究，衡陽守軍決定放棄既有工事，把防禦工地向內收縮[21]，重新規劃為：
第3師，全部主力部隊防衛衡陽城內，並適時調兵協調其它守成區防線。
第190師，主力占領五馬歸槽、橡皮塘、蓮花之線，保持重點於右翼；一個營附師戰防炮連在泉溪市耒河西岸新碼頭構成前進據點；一個部在酃湖南岸鐵路堤經湖之西岸，灣塘至蜈蚣橋之線，占領警戒陣地[21]。
預備第10師，以一部占領馬王廟、托里坑、歐家町、黃茶嶺之線警戒陣地；主力占領汽車西站、虎形巢、張家山、楓樹山、五桂嶺、江西會館之線；並以一連占領停兵山、高嶺兩獨立據點，確實固守[21]。
暫編第54師（一個團的兵力），以一部在東家灣亘何家山之線，占領警戒陣地；主力占領馮家沖，沿耒河左岸，至耒河口之線，構成據點陣地，重點保持於左翼[21]。
新編第19師（一個營的兵力），以占領來雁塔迄望城坳間據點陣地；以一部於高家塘、三里亭、胡坳、馬王廟之線，占領警戒陣地；主力占領草橋、轄神渡、瓦子坪至汽車西站之線，重點保持於瓦子坪、汽車西站間地區，並於杜家港、易賴廟前街、青山街、杜仙廟、楊林廟之線，構築預備陣地[21]。
衡陽警備保安志願隊（一個連的兵力），全部主力占領石鼓嘴一地，防止敵人從汽車西站之線深入。
炮兵部隊（野山炮共147門）在雁峰寺、縣政府、益陽路、萬國商場附近，清泉路西側地區，占領陣地[21]。
軍司令部位置於中央銀行；前進指揮所位置於五桂領[21]。
物資準備
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美軍林賽准將在昆明為衡陽守軍準備了一批裝備：9門37戰防炮、6門75山炮、26門臼炮、2支火箭筒[22]。衡陽城內國軍配備有1個山炮連、1個野炮營、1個戰防炮營
第十軍軍屬炮兵營在營長張作祥中校的帶領下，去昆明領取這批武器，並接受訓練。在返回衡陽過程中，卻被廣西桂林境內的炮兵第一旅扣留，欲吞併整炮兵營和所有武器，經上報蔣介石委員長，炮兵營才得以離開廣西。途中炮兵營數度遭遇日軍小部隊，經艱難戰鬥終保全這批美式武器[23]。
6月中旬，蔣介石特派後勤部長俞飛鵬來衡陽城處理第十軍補給事宜，在圍城之前，搶運入衡陽城的糧彈有530萬發步槍槍彈、28000枚手榴彈、迫擊炮彈3200發[24]。
居民撤離
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為了減少居民傷亡，方先覺軍長勸導當時衡陽全市30萬市民離開衡陽。經過商量，粵漢鐵路局和湘桂鐵路局同意調整火車於火車東西兩站疏散衡陽市民[24]。逃難的衡陽市民分兩路，南行者乘粵漢路車，西行者乘湘桂路車，軍部派參謀人員在車站協助疏散[25]。葛先才師長回憶火車站的逃難場景，衡陽難民「扶老攜幼」，「一片混亂悽慘景像」，「不但車廂內擠滿了人，車頂上亦有人滿之患」，「慘不忍睹」 [25]。包括第十軍的家眷也同時撤離，方先覺的家人乘火車去了桂林，寄住在桂系大將黃旭初的房子裡[26]。
周邊失守
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經過四次長沙會戰，1944年6月18日，長沙最終淪陷。長沙淪陷前後，醴陵、湘潭、株洲等地也相繼失守。衡陽處於日軍包圍之中[27]。
江東岸及警戒陣地戰鬥
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首次接觸
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6月19日，日軍先頭部隊於在下攝司、易俗河附近，與國軍第3師接觸。第3師偵知日軍的大部隊正由湘江東西兩岸兼程南進，第3師以一部沿湘江東岸與日軍實施遲滯作戰，以阻擾日軍的前進[28]。
衡陽保衛戰紀念館展示的作戰圖（江西會館方向）
城區轟炸
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6月22日，日軍飛機首度轟炸衡陽城，湘江兩岸市區均引起大火。自此以後每日，日軍飛機都會飛臨衡陽市區和衡陽飛機場轟炸、投放燃燒彈，衡陽城城區連接大火，預第10師第28團及軍直屬部隊，四處奔走進行消防滅火工作[29]。
耒水之戰
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6月22日晚上8點，日軍第68師團由株洲、淥口沿湘江東岸南下，抵達衡陽城東30里外的泉溪市，耒水西岸駐守著第十軍的190師568團第1營的少數警戒部隊，警戒部隊當即與日軍交火，將日軍擊退，與日軍在耒水兩岸對峙[28]。
6月23日，拂曉，日軍第68師團再次欲從泉溪市強渡耒水，向著國軍據守的新碼頭發動攻擊，國軍190師568團第1營營長楊濟和指揮士兵以戰防炮和機槍打翻日軍的木船和橡皮舟[28]。
午後，日軍知道正面強渡耒水不易，就先以一部隔著耒水佯攻，主力部隊潛入泉溪市南邊，繞越渡過耒水。國軍190師568團第1營西撤，進入衡陽東約12里的五馬歸槽據點[28]。
日軍第一次總攻擊
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6月27日，渡過湘江的日軍猛攻，進抵歐家町、黃茶嶺，向停兵山、高嶺、江西會館主陣地猛攻。
6月28日，日軍力圖合圍衡陽，發起了第一次總攻擊。城南作為正面戰場，戰鬥最為猛烈，雙方爭奪張家山高地數日反覆達20多次，陣地依然在國軍控制中。停兵山、高嶺據點守軍全部犧牲，無一生還，日軍被殲亦不下千人。在歐家町以北停兵山附近的第68師團第115大隊前線觀察指揮所被預備第十師第28團迫擊炮連覆蓋射擊，正在此處的師團長佐久間為人中將炸成殘廢，師團參謀長原田貞三郎大佐重傷，參謀松浦覺上尉被一同炸傷，指揮一度混亂，不得不由116師團長統一指揮，第一次總攻打了三天就結束了。
7月2日，日軍暫停進攻。
衡陽保衛戰紀念館展示的作戰圖（石鼓書院方向）
日軍第二次總攻擊
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7月11日，晨，日軍發起第二次總攻擊，向衡陽城垣傾瀉大量炸彈、燃燒彈和毒氣彈。日軍付出極大的代價，也無法接近守軍的核心陣地。
7月12日，日軍攻占虎形巢。
7月15日，守軍退西禪寺、張飛山，改守第二線。日軍攻擊重點從衡陽西南轉向城之外廓。
7月16日，市民醫院南端高地失陷。日軍攻擊轉向西北郊。第二次總攻失敗，日軍戰史：「我軍再度發起總攻擊，與上次一樣，僅奪取極小部份陣地外無所進展，損失卻更慘重，大部份步兵連已由士官代理連長，戰況並不樂觀，於是攻擊再度停止。」
7月17日，日軍對衡陽城猛烈轟炸，逐次奪取城郊據點，壓縮包圍圈。
7月19日，日軍再次停止進攻。
7月21日，日軍佯裝退兵，引誘守軍出擊，又空投「歸來證」，向第10軍誘降。
7月27日、8月2日，中國空軍兩次向衡陽城內投下蔣介石的手令，要求方先覺軍堅守衡陽城待援。7月27日，蔣中正令方先覺：「守城官兵艱苦與犧牲情形，余已深知，此時只有督率所部，決心死守，以待外援之接應。非萬不得已，不必發電詳報，以免被敵軍偷譯[30]。」8月2日，蔣中正令方先覺：「此次衡陽之得失，實為國家存亡所關，決非普通之成敗可比。……第二次各路增援部隊，今晨皆已如期到達……。」
8月3日，日軍對衡陽大肆轟炸。
日軍第三次總攻擊
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8月4日，日軍第11軍橫山司令官聚集第40、58、68、116師團及13師團一部，57旅團，11萬人，輕重砲100餘門，砲彈40,000發，對國軍陣地發動第三次總攻。以飛機大炮向核心陣地和市 區狂轟濫炸，4個半師團的日軍從南北西三面猛攻核心陣地。
8月7日，敵機和砲兵繼續進行轟炸，掃射和施放毒氣。在傷亡慘重以及彈盡援絕之下，軍長方先覺命參謀長孫鳴玉起草最後一電：「敵人今晨由北城突入之後，即在城內展開巷戰。我官兵傷亡殆盡，刻再已無兵可資堵擊，職等誓以一死報國，免盡軍人天職，決不負鈞座平生作育之至意。此電恐系最後一電，來生再見！職方先覺率參謀長孫鳴玉、師長周慶祥、葛先才、容有略、饒少偉同叩。」
8月8日，凌晨四時，日軍逼近第10軍指揮部所在地中央銀行，方先覺軍長與其他師長被俘，衡陽淪陷。日軍第11軍以竹內參謀為代表入城談判，雙方同意停戰，日方並承諾保全守軍官兵安全。據方先覺長子方略回憶，方先覺不願突圍出城的原因之一是考慮到之前常德會戰余程萬突圍出城差點遭蔣介石槍斃[26]。