在衡阳城外围主阵地激战之时，第8军赶到了演陂桥、第51军赶到了十牛山。薛岳、林蔚立即按照计划调74军全部进入衡阳城，第190师调衡阳东接手新2军防守阵地。
日军总攻无力后，衡阳城周边枪炮车稀疏起来，第62军、第51军开始行动了，国军击破监视十牛山国军的日军留守部队，直插停兵岭。在第68师团、第116师团结合部撕开了一个口子，切断日军两个师团的联系。第62团向东、第51军向北挤压日军，第68、116师团的注意力还在衡阳城，遭到突袭后，两个师团迅速转向，第68师团、第116师团不约而同准备夹击第62、51军，西面国军第8军、第100军、第79军动了，自西向东从第116师团辗压过来，第116师团分兵防守，衡阳城第74军冲出来，第6师团遭到国军6个军全力围攻。
衡阳城战场形势瞬间转变，第116师团在国军围攻中苦苦支撑，第68师团、第43师团一部拼了命攻击第62军，第51军与第62军背靠背拼死阻击。横山勇听闻战场形势突变，立即命令东阳渡第3师团一个联队渡过湘江支援，冠市第3师团主力脱离与新6军等国军的接触退往茶市，视情况增援衡阳日军，第37师团紧急南下。
薛岳下令衡阳东新2军、暂2军对南线第58师团发起总攻，冠市新6军、第20军、第26军衔尾追击第3师团主力，衡阳周边硝烟四起，全乱套了。新2军、暂2军与日军激战半日，突破第58师团防线占领东阳渡，日军第68师团、第116师团被隔绝在湘江以东。日军也疯了，第3师团放弃茶市，主力渡过洡水，以一部留守洡水西岸阻止国军渡河，主力与败退的第58师团残部向新2军、暂2军发起猛攻。只要击退当面国军，日军就可以通过泉溪与后方联系起来。新2军、暂2军寸土必争，不计较伤亡与日军死磕，战况胶着起来，每一分钟双方都有士兵死伤，双方都打红了眼。第3师团到现在才明白当年缅甸同古会战的那支强军还在。
衡阳城西战况犹为激烈，第116师团垂死挣扎，国军拼死也要把第116师团留在衡阳，日军航空队与美军航空队也在衡阳上空激战。经过一天一夜的激战，第116师团在衡阳以西全军覆没。作战国军顾不上休整，全军转向衡阳南线日军，守卫衡阳城的第10军也加入到反攻的行列。从北向南压迫日军。
横山勇收到第116师团的诀别电，心如死灰，1号作战计划完全失败了，现在要考虑的不是打通陆上交通线，而是如何保存进攻衡阳的部队。他还不能倒下，第68师团、第3师团一部、第34师团一部因为救援第116师团，错失了渡过湘江的机会，正处于危险之中。横山勇严令第3师团主力、第5师团残部打退国新2军、暂2军，接应湘江以东部队渡过湘江。
横山勇现在无比后悔让第37师团前往浏阳，也痛恨第37师团师团长长野佑一郎拖延命令执行时间，但第37师团原属华北派遣军，而且今后的战斗还要依靠他们，横山勇没有办法，只能催促第37师团加速前进。
湘江以东日军已开始渡江了，由于对岸东阳渡口已被国军占领，一大半渡船被国军收缴，日军只能野渡，美军航空队又在空中干扰，日军渡江的速度缓慢异常，此时日军基本上已被压缩在沿湘江西岸狭窄的凸岸里。不但正面国军，衡阳东国军隔着湘江在东、北两个方向不断向日军人群炮击，105mm炮弹杀伤半径30m，落在地上炸出一个个大坑，断肢残体炸上了天空。美军航空队不时前来轰炸，湘江边成了炼鬼的地狱。西面第68团全力阻击正面国军向湘江推进，奈何国军兵力太多，重火力太强，第68师团被迫节节后退。日军用了一天一夜的时间，才把第3师团一个联队2000余人送过了湘江，渡过江的日军立即投入到衡阳东的战斗。
茶市国军接到了薛岳命令：第20军、第26军（缺1个师）留守茶市，新6军全军与第26军1个师奔袭泉溪。薛岳有意把衡阳东第3师团、第58师团、第34师团一部也留下来。泉溪附近只有第34师团一个联队，还有第58师团残部2300余人，战场形势对日军而言越发崩坏，新6军攻击泉溪，日军处境更是雪加霜。日军集结洡水北岸部队在泉溪周边与国军激战，担任粤汉路各城镇防守的第17旅团也抽调一部南下，全力确保泉溪。
第37师团刚过渌口，长野佑一郎接到士兵报告，湘江中发现许多帝国军人的浮尸。长野佑一郎跑到湘江边察看，士兵所言不虚，大片土黄色军装的日军尸体顺湘江而下。长野佑一郎感到大事不妙，立即命令战斗部队留下辎重，轻装全速南下，命令辎重粮草及炮兵加紧跟随。
湘江以西日军已到了最后时刻，国军第8、10、51、62、74、79、100军7个军分成二组，不分昼夜地对日军攻击了3天3夜，第68师团终于扛不住了，战线被国军破突，大规模成建制的抵抗消失了，第68师团被分割包围在大大小小20多个包围内，等待他们的只有被俘和击毙两种命运。第68师团的顽抗的这3天3夜里，第43师团一个联队被抢运过了湘江，但辎重、重火力几乎损失殆尽。
第37师团姗姗来迟，前锋刚抵达了洡水北岸。立即投入到为泉溪日军解围的战斗。随着日军援军不断到来，新6军主力退守洪山庙，不断袭扰泉溪日军。第37师团也不去管他们，主力开始强渡洡水，尽力为第3师团、第43师团、第58师团主力打开一条撤退的通道。