“中国派遣军”为了策应第11军作战，在日军进攻长沙期间令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队向湖南调动。6月10日第70师团沿铁路两侧攻击前进，12日攻占龙游，以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗。第105、第145、第146师亦投入反击。但在日军驻金华的独立步兵第104大队来援后，守军退守衢州城。6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。守军撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭，伤亡甚大。日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军，反而损失1000余人。日军占领衢州后，认为牵制任务已经完成，于27日开始撤回金华。
２． 衡阳及湘中地区战斗
日军第11军在开始向长沙发起总攻的6月16日即向各部队下达了在第九战区失守长沙、宁乡等地后，乘其混乱、尚未组织起新的防御体系之前迅速突进攻占衡阳的命令，因而预定用以攻击衡阳的第68师团及第116师团在长沙尚在激战之际即渡过浏阳河南下，在长沙弃守时已进至株洲及其以东的清江铺地区，尔后准备沿湘江两岸向南快速推进，直趋衡阳。东路日军第3师团及第13师团占领浏阳后即继续向醴陵、萍乡前进，并准备向攸县、安仁、耒阳（耒县）推进。湘江西岸的西路日军第40师团于19日攻占宁乡后亦继续南下湘乡，并准备向衡阳以西的永丰、渣江前进，与东路日军遥相呼应。
长沙失守后，军事委员会为保卫衡阳、阻敌深入，于6月20日对第九战区下达了如下作战命令：
“（１） 国军以阻敌深入、确保衡阳为目的，以一部于渌口、衡山东西地区持久抵抗，以主力由醴陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东夹击深入之敌而歼灭之。
“（２） 王副长官指挥72军、58军、26军，速击破醴陵东北地区之敌，攻击敌主力之左侧背。
“（３） 杨副长官指挥20军、44军，先击破醴陵以北地区之敌，尔后转移于王副长官所部之左翼，协力向西攻击敌人。
“（４） 欧副总司令指挥37军、暂2军及第3师，在渌口、衡山间坚强持久抵抗，阻敌之深入。
“（５） 王总司令耀武指挥73军、79军、99军、100军及4军之残部，向湘江左岸之敌攻击，但以一部守备湘乡。
“（６） 李副总司令玉堂指挥10军、暂54师，固守衡阳。
“（７） 第七战区开来之62军仍归本会直辖，控置于衡阳西南地区待机。”〔１８〕
日军通过空中、地面侦察，根据中国军队的集结、调动情况，再结合以往的一贯战法，大致上已判断出军事委员会集中兵力分由东、西两面实施夹击的战役企图，遂令东、西两路日军集结兵力，加强对醴陵、宁乡方面的作战，以掩护中路日军进攻衡阳。
东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后，仅以一部兵力继续南下。而以主力向东进攻准备实施夹击的中国军队，在刘公庙附近重创第26军，并迫使第58、第72军向东撤退，于22日占领了萍乡。日军第3师团亦于萍乡以北地区击溃了第58军。军事委员会计划的反击作战已无法实现。
西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南下，在湘乡以北击退第73、第74军，于22日攻占湘乡。守军新23师（附第92师1个营）退守石狮江、三枣。与此同时，中路日军第116师团的第133联队，亦向东进攻，配合第40师团，在湘乡东南的东台山一带击退守军第32师。至此，第40师团即暂停南进，集结兵力准备与由西北南下的第24集团军作战。
中路日军第116师团和第68师团在日军总攻长沙之前，即已于6月13日和16日分别轻易地占领了株洲及清江铺。守军暂2军退守渌水南岸。配属第116师团的第68师团第133联队则西进，占领了湘潭。守军新23师退至涟水以南，转移到东台山一带。6月19日，第116师团（附第68师团的第57旅团）由株洲附近西渡湘江，分两路各沿湘江西岸及易俗河向衡阳前进；第68师团（欠第57旅团）由石亭附近渡过渌水，击退暂2军后沿湘江东岸向衡阳急进。第68师团于23日即已突抵泉溪市附近，并渡过耒河，击退暂54师的警戒部队。24日傍晚，以一部西进，进攻五马槽衡阳外围阵地，主力经赤水塘西渡湘江，向衡阳以南迂回。迄27日，日军第116师团进至衡阳城西郊，突破守军第3师阵地，逼抵瓦子坪、虎形山主阵地前；第68师团一部突破五马槽第190师前进阵地和冯家冲主阵地，并攻占了飞机场；主力则突破衡阳城南黄花岭、欧家町预10师的警戒阵地，进至铁路线预10师的主阵地前。至此，衡阳已处于日军的三面包围之中。
衡阳位于湘江中游，系粤汉铁路和湘桂铁路的交会点，是第九战区的重要战略基地之一。该城东端紧临湘水西岸。防守衡阳的部队为第10军，下辖第3师、第190师及预10师。第190师及暂54师原在湘江以东，日军第68师团独立第64大队攻占湘江东飞机场，将190师及暂54师从中间割断后，第10军为集中兵力、缩短防线，于26日夜将该两师调回湘江西岸衡阳市区。其中第190师是后调师，仅有1个第570团是个完整的团，其余各部均仅有干部；第3师有1个团尚在衡山附近。另外还配属有暂54师（欠2个团）及48师的战防炮营、第46军的1个山炮连和第74军的野炮营。此时在衡阳的防御部署是：第3师防守衡阳西北部，预10师防守衡阳西郊，第190师防守衡阳南郊，暂54师防守衡阳北郊。
6月27日夜，日军完成了攻城的准备。其部署是：第68师团的独立步兵第64、第116大队位于湘江以东衡阳飞机场附近，第58旅团（独立步兵第65、第115、第117大队及配属师团的独立山炮兵第5联队）位于湘江以西衡阳南郊黄沙岭一带，第116师团的第109、第120联队及炮兵第122联队位于衡阳城西南和城西地区，第57旅团（有步兵第61、第62、第63大队及炮兵第5联队第3大队）位于衡阳西北小西门、体育场、蒸水桥一带。
6月28日拂晓，日军发起总攻。守军各部队在炮火支援下坚守阵地，并不时予以反击。激战终日，日军毫无进展。第68师团师团长佐久间为人及其参谋长原田贞三郎等被炮击负重伤，由第116师团师团长岩永汪统一指挥两师团。29日日军仍毫无进展。岩永汪将衡阳以西四塘附近担任侧背警戒的第133联队投入战斗，与炮兵第122联队协同，企图于7月1日进攻城西坚固据点张家山。激战至7月2日，除主攻方向上经多次反复争夺的张家山被日军第133联队攻占外，其他方面的守军均击退日军的多次进攻，守住了阵地。
由于守军的英勇抗击，日军连续猛攻5日，损耗了大量人员和弹药，仅推进了1000米。第11军为补充弹药和休整战力，决定于7月2日夜暂停进攻，预定7月11日再重新发起进攻。
守军为增强防守力量，乘日军暂停攻击之机，调第3师留置衡山附近的第8团归建。该团于5日8时许从何家塘、望家坳间突破日军包围圈，冲入城中。由于日军主攻方向始终保持于城西南郊，守军为加强该方面的防守、彻底形成重点，重新调整了部署：令第3师（欠第7团）南移占领天马山、岳屏山、接龙山、五桂岭高地，建立第二线阵地；第3师所遗城西北防务，除易赖庙的前街及青山街、杨林庙主阵地仍由第7团防守外，其余均交由第190师接替；湘江西岸的警戒，以铁炉门为界，以南由暂54师负责，以北由第190师负责。
中路日军进攻衡阳期间，东路日军第3、第13师团连续攻占攸县、安仁、进抵耒阳；西路日军第40师团亦已攻占衡阳西北仅35公里的渣江，衡阳守军已完全陷于孤立。但在西路日军后方，守军第30集团军曾实施反击，6月28日收复萍乡，7月4日进攻醴陵，几乎全歼日军骑兵第3联队。日军第27师团等部队前来增援，于10日又夺占醴陵。
日军第68、第116师团经休整补充及加强炮兵后，于7月11日上午开始第二次攻击。此时第６８师团已由堤三树男接任师团长。第116师团的120联队在其飞行第44战队、野炮兵第122联队及独立野炮第2联队掩护下，向城西南预10师第一线阵地要点虎形山发起猛攻。激战至12日9时，守军伤亡重大，阵地为日军突破。第3师抽出1个营增援反击，经白刃战后，营长阵亡，士兵死伤四分之三，未能收复阵地，退守西禅寺。激战至15日，第一线阵地多处被突破，第二线增援部队经反复争夺，又收复一些要点，两线阵地犬牙交错，战斗极为激烈。第10军为加强城西南的防御纵深，又令第190师在接龙山、雁峰寺、中正堂一带建立第三线阵地。迄16日，第一线阵地枫树山、军舰高地等俱为日军突破。第10军遂将第一线阵地全部放弃，以第3师及预10师残部合力防守第二线阵地。此时，城西郊日军第57旅团亦已推进至距小西门不足1000米之处。由于守军防御正面缩小，所以人员伤亡虽众，防守强度和火力密度却减少甚微。7月17日、18日，日军进攻势头下降。经连日激战，日军主攻方向上的第116师团第120联队联队长和尔基隆大佐及第133联队的3个大队长相继被打死，每大队所余兵力不足100人，而且弹药已严重不足，攻坚战斗已难以为继。日军第11军不得已再次下令于19日起暂停攻击。
军事委员会虽早在日军围攻衡阳之前即已令王陵基指挥第72、第58、第26军，杨森指挥第20、第44军，欧震指挥第37军、暂2军，王耀武指挥第73、第79、第99、第100军等夹击日军，后又数次电令各兵团“乘敌后空虚，击破进犯之敌”和“扫荡当面敌人”，令李玉堂、王耀武“速解衡阳之围”，但衡阳外围各兵团在东、西两路日军的阻击下有时连守都守不住，被迫不断后撤，当然更无力击歼两路日军、解衡阳之围了。这虽然不一定像当时第九战区参谋长赵子立事后所说的那样：“外线友军是愈打愈远，而内线的敌人愈打愈近”，但外围兵团，特别是湘江以东的各军始终未积极向衡阳突进则是事实。
由于湘江以东各军散处日军侧后，距衡阳尚远，而第62军已迫近衡阳，因而军事委员会于7月22日电令第九战区集中湘江以西部队向进攻衡阳的日军攻击。电令主要内容为：
“（１） 我衡阳外围援军，应集中全力，先突破衡永公路附近之虎形山及汽车西站以西敌人阵地，再图扩张战果。
“（２） 62军应以一部监视衡阳南侧之敌，集中步炮主力，于黄泥坳附近向虎形山及其东南地区之敌阵地突击。突2纵队即沿公路由黄泥坳西南地区向汽车西站、虎形山方面推进，归入黄军长之指挥。
“（３） 79军应集中主力，由贾里渡方面向汽车西站以西敌阵地突击，以收夹击之效。
“（４） 63军主力应攻占望城坳，以策应各军之作战。
“（５） 空军应集中力量轰炸虎形山及汽车西站以西之敌阵地……”〔１９〕
23日，军事委员会又电令李玉堂“即日