日軍攻占洛陽的同一天，日本中國派遣軍總司令官畑俊六將設(shè)在南京的前進(jìn)指揮所推進(jìn)到漢口，開始了戰(zhàn)役主要階段的湘桂作戰(zhàn)。

1944年5月，日軍第11集團(tuán)軍司令官橫山勇指揮8個師、1個飛行團(tuán)和海軍一部，共20余萬人，以攻占湘桂鐵路（衡陽—來賓）為目標(biāo)，向長沙、衡陽地區(qū)進(jìn)攻。中國第九戰(zhàn)區(qū)司令長官薛岳指揮4個集團(tuán)軍（共15個軍）另2個軍共約40萬人，在空軍（飛機(jī)181架）、友鄰戰(zhàn)區(qū)支援下，以一部依托湖北通城東南山區(qū)、湖南新墻河南岸、沅江和益陽地區(qū)的既設(shè)陣地，節(jié)節(jié)抗擊，消耗、遲滯日軍；主力分別控制于瀏陽、長沙、衡陽及寧鄉(xiāng)等要地，相機(jī)殲敵。27日，日軍以5個師由湖南華容、岳陽、湖北崇陽沿湘江兩岸和湘贛邊山區(qū)分三路發(fā)起攻擊，以3個師集結(jié)于湖北監(jiān)利、蒲圻待機(jī)。另以1個團(tuán)又5個營進(jìn)至江陵以南松滋河沿岸進(jìn)行牽制，以掩護(hù)軍右翼。防守新墻河的第20軍予日軍中路第68、第116師以持續(xù)抗擊后，轉(zhuǎn)至湖南平江以東山區(qū)待機(jī)。

防守崇陽東南山區(qū)的第72軍、挺進(jìn)縱隊(duì)對日軍左路第3、第13師逐次阻擊，遲滯其行動。防守益陽的第73軍抗擊日軍右路第40師。

日軍占領(lǐng)廣西賓陽縣城，這是被俘的中國士兵

6月1日，日軍中、左路強(qiáng)渡汨羅江，突破河防陣地后，分路向撈刀河、瀏陽河進(jìn)攻。守軍第37軍采取邊抵抗邊后撤的戰(zhàn)法，撤至瀏陽附近山區(qū)待機(jī)。至14日，日軍相繼攻占沅江、益陽、瀏陽。16日，日軍第34、第58師、第68師一部攻擊長沙城區(qū)。第4軍堅(jiān)守至18日下午，傷亡殆盡，長沙失陷。第九戰(zhàn)區(qū)為阻敵深入，保衛(wèi)衡陽，從20日起向日軍發(fā)起反擊，至27日，將日軍左、右路分別阻滯于醴陵、湘鄉(xiāng)；對日軍中路在淥口、衡山間雖給以打擊，但未能阻止其南進(jìn)。

28日，日軍第68、第116師攻擊衡陽。守軍第10軍（4個師，但實(shí)際只有4個團(tuán)的兵力）依托工事以正面和側(cè)面火力掩護(hù)，連續(xù)實(shí)施反沖擊，戰(zhàn)至1944年7月2日，予敵以重創(chuàng)，迫其停止攻擊。11日，日軍第68、第116師得到增補(bǔ)后，以15個步兵營、12個炮兵營第二次攻擊衡陽。守軍以固守陣地與機(jī)動防御相結(jié)合，加強(qiáng)陣地間的互相支援，實(shí)施短促近戰(zhàn)和反沖擊，戰(zhàn)至20日，迫敵再次停止攻擊。其間，被阻滯于湘東山區(qū)的日軍第3師先后在醴陵、茶陵、安仁遭重創(chuàng)。后在第27、第34師和第13師一部支援下，戰(zhàn)至月底，始突破圍阻。8月4日，日軍第11集團(tuán)軍集中4個師第三次攻擊衡陽。守軍抗擊至8日，傷亡慘重，且孤軍無援，被迫放下武器，衡陽陷落，長衡會戰(zhàn)結(jié)束。