蒋和美国人的斗争越有利。
7月27日、8月2日，中国空军两次向衡阳城内投下的手令，令方先觉军坚守衡阳城待援。但日军拼力堵截支援衡阳的中队，衡阳守军顽强死守。
日军自第二次总攻后，仅夺得小部分阵地，无大的进展，损伤却更惨重。衡阳久攻不下，日本中国派遣军甚感不安，日本大本营也极为不满。日本第十一军司令官横山勇增调兵力，亲自指挥进攻衡阳之战，以5个师团之兵力，于8月1日集结于衡阳外围。
此时衡阳城内伤亡惨重，粮弹匮乏。城内士兵只能吃烧焦的米煮成的糊饭，佐以盐水。阵地附近池塘的鱼虾浮萍均被采食一空。受伤士兵无药品疗治，只能用盐水洗伤口，用废纸破布包扎，伤口多化脓，溃烂生蛆，重伤者无法救治待死。
8月1日，日军拉开第三次总攻序幕，猛攻西禅寺开始。迄3日拂晓，西禅寺守军阵地失而复得3次，伤亡惨重。经过一个多月的苦战，第十军伤亡极大，连杂兵夫役亦抽调投入第一线战斗，状极惨烈。
8月3日，日军对衡阳大肆轰炸，4日晨开始第三次总攻击。在日军猛攻下，坚守衡阳城一个半月的第十军已疲弊异常，难以再战。
8月5日，第十军高层开始商议下一阶段的行动，周庆祥师长主张突围，但城内伤患六千多人，无法随军行动，方军长决心继续死守。
方先觉军伤亡极大，阵地多处被毁，心里清楚，死守亦难。
7日，日军从衡阳城北门突入。是日，方先觉与各师长联名，向统帅部发出“最后一电”：“敌人今晨由北门突入以后，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！”
方先觉第十军官兵守卫衡阳城达47昼夜，在日军猛烈攻击下，顽强拼搏，坚守待援，直至阵地全毁，伤亡惨重。
8月7日夜，方先觉派参谋长孙鸣玉与日军谈判，停止抵抗。衡阳于8月8日陷落。
至此，中队伤亡约一万五千人，阵亡六千多人。据日方统计，是役日军伤亡近两万人。日本承认，此役“牺牲之大，令人惊骇”，“不独严重地妨碍了打通大陆的日程”，并且遭受了重大伤亡，是“苦难的战役”。
第十军英勇顽强坚守衡阳城47昼夜，迟滞了日军打通大陆交通线的进程，歼灭了大量日军。后日，日军称，方先觉为“骁勇善战之虎将”，第十军“寸土必争，其孤城奋战之精神，实令人敬仰”。日本军官谓：“中队勇敢作战的情形，不仅此地日军敬佩，就连日本天皇和大本营都已有所闻。”
衡阳城虽然失陷已经是定局，第十军依然光荣。
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1944年8月7日。衡阳城里。
方先觉缓缓地拔出，对准太阳穴，扣动扳机。
一只手闪电也似地打了过来，一下子把抢打开了。射在了墙上，
接着那只手迅速地抓住了方先觉的手。
声一响，几个人来了，见副官牢牢地按住方先觉的手，明白了，为首一个喊道：“军长，不能这样，弟兄们可怎么办？”
这时候，几个师长也来了。
众人劝了一阵，方先觉终于不再想了。
周庆祥道：“几个师都不想打了，我们还是投降吧。”
容有略：“薛岳不积极增援，我们已经山穷水尽了。”
葛先才：“军长，得想想那些伤员。”
方先觉想了半天，道：“那就这样。我们拟定一个投降条件，明天一早就去日本人。将来，恐怕只有去南京这条路了。”投降以后，就是汪精卫的部下了。
大家商议，拟定向日方提出的三项要求是：
1，保证生存官兵安全，并让他们休息。
2，收容伤患予以治疗，并郑重埋葬阵亡官兵。
3，守城官兵绝不离开衡阳城。这使受难官兵两千余及伤患官兵七千余人，免除了被屠杀的恐怖。
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1944年8月7日晚上。衡阳城里。
折腾了两次，军部副官处上校处长张广宽终于上了日军，日军同意谈判，立刻停火，张广宽回到城里，已经6点了。
1944年8月8日上午10点半。日军68师团长堤三树男前来谈判，日落时分，声停止，守军全部投降，军长方先觉等被关押在教区天主堂里。这是为数不多的几座完好的房子了。
8日晚上，日本的广播电台播出第十军全军投降的消息。
暗地里，日军晋级协商，研究第十军的善后，如何利用第十军的投降打击重庆。
重庆震动。几道电报发向湖南。
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