發生過程：

一、日軍發動包圍：

6月20日，日軍下達進攻衡陽的作戰部署。同日，中華民國國民政府軍事委員會電令國軍確保衡陽，阻敵深入。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。晚上8時，由株洲、淥口沿湘江東岸南下的日軍第68師團，進抵衡陽市東郊泉溪，第10軍190師568團第1營派在耒水東岸的少數警戒部隊即與日軍交火，衡陽保衛戰就此開始。

6月23日，日軍第68師團欲強渡耒水，被守軍擊退。6月25日晚上，日軍攻佔五馬歸槽和飛機場，守軍596團反攻，奪回機場。6月26日，日軍佔領衡陽城東湘江東岸的機場，並迂迴至衡陽之南，截斷衡陽守軍的退路，從衡陽之西、西南形成了對衡陽的包圍。

二、日軍第一次總攻擊

6月27日，渡過湘江的日軍發動攻勢，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。然而停兵山、高嶺據點守軍全部犧牲，無一生還，日軍被殲滅不下千人。7月2日，日軍暫停進攻。

三、 日軍第二次總攻擊

7月11日早晨，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，但無法接近守軍的核心陣地。7月12日，日軍攻佔虎形巢。7月15日，國軍退至西禪寺、張飛山，改守第二線。日軍攻擊重點從衡陽西南轉向城區外圍。7月16日，市民醫院南端高地失陷，日軍攻擊轉向西北郊。日軍眼見損失不斷增加，卻無重大進展，7月17日開始對衡陽城猛烈轟炸，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，21日佯裝退兵，引誘守軍出擊，並空投「歸來證」向第10軍誘降，效果不彰。中國空軍也在7月27日、8月2日兩度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。8月3日，日軍再次對衡陽大肆轟炸。

四、日軍第三次總攻擊

8月4日，日軍第11軍司令官橫山勇聚集第40、58、68、116師團及13師團一部、57旅團，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，敵機和炮兵繼續進行轟炸、掃射和施放毒氣，步兵則趁機攻入。8月8日，衡陽陷落。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。

歷史影響：

衡陽會戰期間，日軍的兵力補充了三次，在城郊的陣地爭奪戰中，中國守軍犧牲數千人，卻造成日軍損失兩萬多人，其中有多名高級將領重傷陣亡，這樣的結果即便取勝，對日方而言也難以接受。衡陽戰役死守近兩個月，延緩了日軍「打通大陸交通線」的進度，同時美國也取下塞班島，戰局失利讓國內不滿情緒高漲，東條英機內閣陷入危機，窮於應付終於倒台。