前奏
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衡阳保卫战纪念馆里展示的衡阳保卫战将领照片
进驻衡阳
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6月2日，第10軍軍長方先覺率領部隊進駐衡陽，與原守城第54師饒少偉會合。5月29日，中華民國國民政府軍事委員會電令：「國軍以確保西南中美空軍基地基安全，遲滯日軍進攻，守衡陽之兩個星期，有效阻敵深入」，第54師饒少偉接獲電令。
战局部署
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方先觉军长和各师长检查了衡阳外围的国防工事，发现阵地范围太大，现有军力不能周密防守。经过研究，衡阳守军决定放弃既有工事，把防御工地向内收缩[21]，重新规划为：
第3師，全部主力部隊防衛衡陽城內，並適時調兵協調其它守成區防線。
第190师，主力占领五马归槽、橡皮塘、莲花之线，保持重点于右翼；一个营附师战防炮连在泉溪市耒河西岸新码头构成前进据点；一个部在酃湖南岸铁路堤经湖之西岸，湾塘至蜈蚣桥之线，占领警戒阵地[21]。
预备第10师，以一部占领马王庙、托里坑、欧家町、黄茶岭之线警戒阵地；主力占领汽车西站、虎形巢、张家山、枫树山、五桂岭、江西会馆之线；并以一连占领停兵山、高岭两独立据点，确实固守[21]。
暂编第54师（一個團的兵力），以一部在东家湾亘何家山之线，占领警戒阵地；主力占领冯家冲，沿耒河左岸，至耒河口之线，构成据点阵地，重点保持于左翼[21]。
新编第19师（一個营的兵力），以占领来雁塔迄望城坳间据点阵地；以一部于高家塘、三里亭、胡坳、马王庙之线，占领警戒阵地；主力占领草桥、辖神渡、瓦子坪至汽车西站之线，重点保持于瓦子坪、汽车西站间地区，并于杜家港、易赖庙前街、青山街、杜仙庙、杨林庙之线，构筑预备阵地[21]。
衡陽警備保安志願隊（一個連的兵力），全部主力占领石鼓嘴一地，防止敵人從汽车西站之线深入。
炮兵部队（野山炮共147门）在雁峰寺、县政府、益阳路、万国商场附近，清泉路西侧地区，占领阵地[21]。
军司令部位置于中央银行；前进指挥所位置于五桂领[21]。
物资准备
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美军林赛准将在昆明为衡阳守军准备了一批装备：9门37战防炮、6门75山炮、26門臼炮、2支火箭筒[22]。衡阳城内国军配备有1个山炮连、1个野炮营、1个战防炮营
第十军军属炮兵营在营长张作祥中校的带领下，去昆明领取这批武器，并接受训练。在返回衡阳过程中，却被广西桂林境内的炮兵第一旅扣留，欲吞并整炮兵营和所有武器，经上报蒋介石委员长，炮兵营才得以离开广西。途中炮兵营数度遭遇日军小部队，经艰难战斗终保全这批美式武器[23]。
6月中旬，蒋介石特派后勤部长俞飛鵬来衡阳城处理第十军补给事宜，在围城之前，抢运入衡阳城的粮弹有530万发步枪枪弹、28000枚手榴弹、迫击炮弹3200发[24]。
居民撤离
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为了减少居民伤亡，方先觉军长劝导当时衡阳全市30万市民离开衡阳。经过商量，粤汉铁路局和湘桂铁路局同意调整火车于火车东西两站疏散衡阳市民[24]。逃难的衡阳市民分两路，南行者乘粤汉路车，西行者乘湘桂路车，军部派参谋人员在车站协助疏散[25]。葛先才师长回忆火车站的逃难场景，衡阳难民“扶老携幼”，“一片混乱凄惨景像”，“不但车厢内挤满了人，车顶上亦有人满之患”，“惨不忍睹” [25]。包括第十军的家眷也同时撤离，方先觉的家人乘火车去了桂林，寄住在桂系大将黄旭初的房子里[26]。
周边失守
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经过四次长沙会战，1944年6月18日，长沙最终沦陷。长沙沦陷前后，醴陵、湘潭、株洲等地也相继失守。衡阳处于日军包围之中[27]。
江东岸及警戒阵地战斗
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首次接触
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6月19日，日军先头部队于在下摄司、易俗河附近，与国军第3师接触。第3师侦知日军的大部队正由湘江东西两岸兼程南进，第3师以一部沿湘江东岸与日军实施迟滞作战，以阻扰日军的前进[28]。
衡阳保卫战纪念馆展示的作战图（江西会馆方向）
城区轰炸
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6月22日，日军飞机首度轰炸衡阳城，湘江两岸市区均引起大火。自此以后每日，日军飞机都会飞临衡阳市区和衡阳飞机场轰炸、投放燃烧弹，衡阳城城区连接大火，预第10师第28团及军直属部队，四处奔走进行消防灭火工作[29]。
耒水之战
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6月22日晚上8点，日军第68师团由株洲、渌口沿湘江东岸南下，抵达衡阳城东30里外的泉溪市，耒水西岸驻守着第十军的190师568团第1营的少数警戒部队，警戒部队当即与日军交火，将日军击退，与日军在耒水两岸对峙[28]。
6月23日，拂晓，日军第68师团再次欲从泉溪市强渡耒水，向着国军据守的新码头發动攻击，国军190师568团第1营营长杨济和指挥士兵以战防炮和机枪打翻日军的木船和橡皮舟[28]。
午后，日军知道正面强渡耒水不易，就先以一部隔着耒水佯攻，主力部队潜入泉溪市南边，绕越渡过耒水。国军190师568团第1营西撤，进入衡阳东约12里的五马归槽据点[28]。
日軍第一次總攻擊
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6月27日，渡过湘江的日军猛攻，进抵欧家町、黄茶岭，向停兵山、高岭、江西会馆主阵地猛攻。
6月28日，日军力图合围衡阳，发起了第一次总攻击。城南作为正面战场，战斗最为猛烈，双方争夺张家山高地数日反复达20多次，阵地依然在国军控制中。停兵山、高岭据点守军全部牺牲，无一生还，日军被歼亦不下千人。在欧家町以北停兵山附近的第68师团第115大队前线观察指挥所被预备第十师第28团迫击炮连覆盖射击，正在此处的师团长佐久间为人中将炸成残废，师团参谋长原田贞三郎大佐重伤，参谋松浦觉上尉被一同炸伤，指挥一度混乱，不得不由116师团长统一指挥，第一次总攻打了三天就结束了。
7月2日，日军暂停进攻。
衡阳保卫战纪念馆展示的作战图（石鼓书院方向）
日軍第二次總攻擊
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7月11日，晨，日军发起第二次总攻击，向衡阳城垣倾泻大量炸弹、燃烧弹和毒气弹。日军付出极大的代价，也无法接近守军的核心阵地。
7月12日，日军攻占虎形巢。
7月15日，守军退西禅寺、张飞山，改守第二线。日军攻击重点从衡阳西南转向城之外廓。
7月16日，市民医院南端高地失陷。日军攻击转向西北郊。第二次總攻失敗，日軍戰史：「我軍再度發起總攻擊，與上次一樣，僅奪取極小部份陣地外無所進展，損失卻更慘重，大部份步兵連已由士官代理連長，戰況並不樂觀，於是攻擊再度停止。」
7月17日，日军对衡阳城猛烈轰炸，逐次夺取城郊据点，压缩包围圈。
7月19日，日军再次停止进攻。
7月21日，日军佯装退兵，引诱守军出击，又空投“归来证”，向第10军诱降。
7月27日、8月2日，中国空军两次向衡阳城内投下蒋介石的手令，要求方先觉军坚守衡阳城待援。7月27日，蔣中正令方先覺：「守城官兵艱苦與犧牲情形，余已深知，此時只有督率所部，決心死守，以待外援之接應。非萬不得已，不必發電詳報，以免被敵軍偷譯[30]。」8月2日，蔣中正令方先覺：「此次衡陽之得失，實為國家存亡所關，決非普通之成敗可比。……第二次各路增援部隊，今晨皆已如期到達……。」
8月3日，日军对衡阳大肆轰炸。
日軍第三次總攻擊
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8月4日，日軍第11軍橫山司令官聚集第40、58、68、116師團及13師團一部，57旅團，11萬人，輕重砲100餘門，砲彈40,000發，對國軍陣地發動第三次總攻。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，敵機和砲兵繼續進行轟炸，掃射和施放毒氣。在傷亡慘重以及彈盡援絕之下，軍長方先覺命參謀長孫鳴玉起草最後一電：「敵人今晨由北城突入之後，即在城內展開巷戰。我官兵傷亡殆盡，刻再已無兵可資堵擊，職等誓以一死報國，免盡軍人天職，決不負鈞座平生作育之至意。此電恐系最後一電，來生再見！職方先覺率參謀長孫鳴玉、師長周慶祥、葛先才、容有略、饒少偉同叩。」
8月8日，凌晨四時，日軍逼近第10軍指揮部所在地中央銀行，方先覺軍長與其他師長被俘，衡陽淪陷。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。据方先觉长子方略回忆，方先觉不愿突围出城的原因之一是考虑到之前常德会战余程万突围出城差点遭蒋介石枪毙[26]。