向沅江第99軍陣地進攻。6月3日，日軍第2線兵團相續加入粵漢路正面作戰。至6月6日，日軍進至沉江、撈刀河、永安市之線，一部攻佔湘陰城。
6月7日，日軍左翼第3師、第13師進抵古港附近，遭到中國守軍第72軍、第58軍、第44軍及第20軍攻擊，斃傷其一部。日軍向第58軍實施反擊，11日，突破石灣附近中國守軍陣地，繼續向南突進。中國軍隊第72軍及第58軍協同向日軍實施尾追截擊。第20軍及第44軍則轉向創陽阻擊日軍進攻。
6月11日，日軍右翼第40師及獨立第17旅一部，分兩路渡資水，一路進攻寧鄉，一路南攻益陽。與中國守軍第73、第99軍展開爭奪戰。14日，中國軍隊第73軍尾擊南下之日軍。同時，第24集團軍對寧鄉之日軍展開攻擊，連續激戰4日，殲日軍一部。正面日軍主力以優勢兵力進攻瀏陽，與第44軍激戰9晝夜。中國守軍退至瀏陽南郊。同時，日軍右翼之第34師及第58師渡瀏陽河，直逼長沙。6月16日，日軍第34師由湘江以西向嶽麓山開始攻擊。隨後，第58師由長沙東北至東南部，對守軍第4軍展開圍攻。17日長沙外圍紅山頭、黃土嶺失陷，嶽麓山主陣地亦破日軍突破。18日長沙失陷。
日軍攻佔長沙後，繼續向粵漢、湘桂鐵路交點和重要戰略基地衡陽逼進。
日軍左翼第3師、第13師，由醴陵地區南下，於6月24日攻佔攸縣，直趨安仁，並向衡陽東南實施迂迴。中國第9戰區急調第20、第26、第37、第44軍等部隊，赴茶陵南北地區迎擊日軍。7月2日完成西進部署，開始攻擊，8日克復攸縣，幷包圍耒陽日軍。同時，第58軍亦克復醴陵。日軍第11集團軍隨即以其第27師等部加入戰鬥，7月10日再陷茶陵、耒陽。7月29日，佔領醴陵之日軍東陷萍鄉，南趨蓮茗。中國軍隊再次實施反擊，奪回萍鄉，對耒陽附近日軍加強圍攻，並以一部挺進渡過豐河，策應衡陽近郊之作戰。
日軍實施正面進攻之第116、第68師，在兩翼策應下，沿粵漢鐵路南下，迅速向衡陽市郊突進。6月26日，第68師佔領衡陽機場，主力進至衡陽以南，與第116師形成由西面和西南圍攻衡陽的態勢。6月28日拂曉，日軍對衡陽發動大規模進攻。中國守軍第10軍（轄第3、第190師、預備第10師及野炮一營等）英勇奮戰，頑強抗擊。至30日戰鬥愈加激烈。日軍連續發起進攻，均被中國守軍猛烈炮火擊退，日軍傷亡慘重，第68師師長佐久間中將亦負重傷。中國軍隊步、炮、空協同作戰，大量殺傷日軍部隊，日軍地面攻勢受挫，以航空兵對衡陽實施晝夜轟炸，並投下大量燃燒彈。7月3日至6日，衡陽城內晝夜燃燒，中國守軍的糧彈倉庫大部分被焚燬。7月11日，日軍開始向衡陽發動第二次進攻，並將主要突擊方向改向衡陽西南方向，逐步緊縮包圍圈，但進展仍不順利。日軍遂在空、炮火力支援下，連續攻擊，並施放毒氣，但守軍寸土必爭，陣地形成犬牙交錯，戰鬥至為慘烈。日軍奪佔了部分陣地，雙方傷亡均重。日軍難於發展進攻，遂於7月20日再次停止進攻。
在此期間，奉命馳援衡陽之中國第62軍，其先頭第151師，已透過何家橋、許家衝之線，向歐家町攻擊。19日第157師亦攻抵黃泥坳，日軍第40師渡蒸水增援，經激戰後，第62軍先頭攻抵衡陽火車西站，惟第79軍進展緩慢。第62軍受日軍集中優勢兵力的反擊，且彈藥缺乏，於22日又撤退至硫子坑地區。
8月4日，圍攻衡陽之日軍開始第三次進攻，在航空兵和炮兵連續實施火力襲擊後，實施晝夜輪番攻擊，激戰至6日，日軍由西北郊突入城內，守軍與日軍展開巷戰，不斷擊退其進攻。在此關鍵時刻，守軍第10軍軍長方先覺令全軍放下武器，於8月8日率所屬各師長向日軍投降，長衡會戰宣告結束。中國軍隊為保衛衡陽的廣大官兵流血奮戰48天的成果，被可恥的投降行動所出賣，實為痛心。
此次作戰，中美空軍集中轟炸機68架，驅逐機113架，奪取制空權支援陸軍作戰，並攻擊日陸、海軍，共出動各種飛機4500餘架次，擊落及炸燬日軍飛機120餘架，毀敵船1000餘隻。使日軍損失嚴重。
（三）桂柳會戰
1944年8月上旬，日軍攻佔衡陽後，為貫徹其打通大陸交通並破壞中國空軍基地之目的，乃繼續發動桂柳作戰，依照其“一號作戰”計劃，開始桂（林）柳（州）的作戰準備。日軍大本營為加強對湘桂作戰的指導，統一對第11、第23集