日军二次总攻，遭遇重挫
7月11日拂晓，日军发起第二次总攻。首先向衡阳城区倾泻大量炸弹和毒气弹。方先觉命令收缩防御，虽然缩小了防线范围，却使加强了一线防御力量。日军付出极大代价，却始终无法接近守军核心阵地。
13日，守军工兵两连全部阵亡。29团2营营长李振武率部用手榴弹阻击日军，本人阵亡，团长朱光基派人增援，守住阵地。14日，日军爬上虎形巢高地1营指挥所，劳营长率仅剩的2位战士与敌周旋，直至援军赶到。568团方子才连长右臂被打断，在没有麻药，只能用开水消毒的情况下，进行截肢……
15日拂晓，日军突入守军28团8连阵地，连长王菊全率部应战阵亡，全连战至仅剩3位战士，翟一刚营长率人增援。当夜，日军潜入位于农民银行地下仓库的守军28团指挥所，守军葛先才师长率数百人反击，将百余名潜入日军全歼。
由于太平洋战争连连失利且“一号作战”在衡阳遇阻，日本首相东条英机于7月16日被迫下台。这大大鼓舞了中国军民的抗战决心。
20日，方先觉接到电报称援军第62军已抵城外，于是派特务营长曹华亭率150人，乘夜色突围出城接应，未料援军竟已撤走。曹营长一行毅然杀回城内，但仅剩20余人。
至此，日军伤亡8000余人，仍未攻入城区，而守军战斗减员也达70%。轻伤员自愿留在前线战斗，许多重伤员因无药品，伤势恶化而死。
由于正面进攻遭遇中国守军的顽强抵抗，日军开始改变一味强攻的策略，从21日起，在轰炸的同时还空投传单，试图瓦解守军斗志。
至7月下旬，守军81毫米口径的迫击炮弹已用完，军部参谋长孙鸣玉将军下令将仅剩数百发的82毫米迫击炮弹分出一半，用砖石把炮弹“弹带”部位磨去1毫米，以便用于81毫米迫击炮。很多军官双手磨得起泡流血。方先觉鼓励道：“官兵每一秒都在流血，每一分钟都有死亡，诸君为国效命，此其时也！”
7月27日和8月2日，中国空军两次向衡阳城内空投蒋介石手令，命令方先觉坚守待援。
日军三次总攻，衡阳陷落
8月4日，日军以5个师团的兵力发动第三次总攻。先用飞机、大炮对核心阵地和市区狂轰滥炸，随后，日军步兵从南、西、北三面发起冲锋，攻占少量守军阵地。
5日，青山街、西禅寺、天马山、五显庙、岳屏山、接龙山、五桂岭、外新街等各阵地均有2次以上的争夺战。15时许，方先觉召集4位师长开会。方军长说：“必要时，大家都到军部来，我们死在一起！”6日3时，日军突破568团5连演武坪阵地，守军全部阵亡。中午，守军在市民医院打死日军第57旅团长吉摩源吉少将。但西禅寺、岳屏山、五桂岭、外新街等守军全部罹难，阵地失守。
7日，青山街连续被日军突入3次，3师7团3营营长王金鼎率部反击，不幸牺牲，全营仅剩12人。10时许，方先觉召集师长到军部，命报务员向蒋介石发最后一电：“敌人今晨已由北城突入，随即在城内巷战。我官兵伤亡殆尽，刻再已无兵可资堵击，职等誓以一死报党国，勉尽军人天职，决不负钧座平生作育之至意，此电恐为最后一电，来生再见！”
方先觉与参谋长和仅剩的24名卫士，准备最后一搏。28团团长率几十名战士赶来，要保护方先觉等突围。遭方先觉斥责：“你不要管我，你要守住你的阵地，赶快回去！”
8日1时，日军再次发起进攻。4时许，方先觉拔枪自戕，被李绶光团长、王洪泽副官击落手枪。之后，方先觉多次试图自杀，均被卫士阻止。11时，衡阳全城被日军占领。13时，日军俘虏方先觉等将领，囚禁至城外天主堂，衡阳陷落。
被俘前，方先觉曾向日军提出3项要求：保证幸存官兵安全；收治伤员，埋葬阵亡官兵；守城官兵不离开衡阳城。但日军当天就杀害了不愿为他们服苦役的1000多位市民，后又残杀3000余名伤员。
8月26日，蒋介石电令全国军人为衡阳殉国官兵默哀3分钟，并命戴笠派特务营救方先觉等。
11月18日深夜，方先觉等被王昆齐和“谭四山猫”（绰号）等救出，被日军发觉追赶，幸遇农民及游击队相助。方先觉要求留下打游击，为牺牲部下报仇，最终被劝阻。12月11日，方先觉抵达重庆。
战役评价
衡阳保卫战是中国抗战史上作战时间最长、双方伤亡士兵最多的城市争夺战。当时衡阳四面被包围，未获一兵一卒外援，在武器弹药、粮食药品奇缺的困境下，守军顽强抵抗，血战47天，远远超出原定的坚守10天至14天的目标。虽然终因伤亡殆尽而未能守住衡阳，但他们的英勇作战沉重地打击了日军的嚣张气焰，消灭了日军的有生力量。日本军史也不得不承认：方先觉为“骁勇善战之虎将”“第10军寸土必争，其孤城奋战之精神，实令人敬仰”。
1946年2月，葛先才将军奉命再赴衡阳，搜寻阵亡将士忠骸3000多具，在张家山修建烈士公墓。（毓强）
