8月6日，中日双方经过激烈的争夺拼杀，强悍的日军第五十八师团作凭借熟练的攻坚经验，终于突破衡阳城北一角，并迅速以一部突入市街。在敌机猛烈轰炸下，守军阵地几夷为平地，阵地官兵与攻入之敌展开近战与肉搏，血战不久全部战死。日军乘势以精锐之师向城内第十军指挥部所在地——中央银行急速进击，守城官兵再度与日军展开大规模巷战与肉搏，衡阳顿成一座鲜血喷溅的血城，第十军无一人不参加近战与白刃格斗，无论是炊事员还勤杂兵，都抡着菜刀与烧火棍进入战场竭力拼杀，惨烈的肉搏持续了两个昼夜又半天之久。
8月7日，日军调集重炮、野山炮百余门齐向衡阳城猛烈射击，横山勇再度下令强行总攻，欲一举攻克城池。蒋介石深知衡阳战况已到生死存亡、千钧一发之际，特督令援军战车部队急进增援，并电第十军告以“援军明日必到衡阳，决不延误”。延至下午3时，衡阳城内仍不见援军到达，此时守军支撑已到极限，方先觉在征求手下几位高级将领的意见后，向蒋介石发出了最后一份电报：
敌人今晨由北城突入以后，即在城内展开巷战，我官兵伤亡殆尽，刻再无兵可资堵击，职等誓以一死报党国，勉尽军人天职，决不负钧座平生培育之至意。此电恐为最后一电，来生再见。
职?方先觉率参谋长孙鸣玉，师长周庆祥、葛先才、容有略、饶少伟同叩[17]
电报发出后，方先觉巡视部队已过，回到指挥部决心自戕，当手枪对准太阳穴之际，两个副官扑上来把枪打掉，众皆悲泣，一面组织伤兵残将继续阻击，一面仍幻想有天兵突降，挽狂澜于既倒。
蒋介石通过空军侦知衡阳城已岌岌可危，约晚7时接到方先觉发来的电文，悲怆中几乎晕倒。于绝望中，口述“祝上帝保佑你们”[18]七字电文，而后一声长叹，整个身子靠在椅背上，头偏于一旁，无力地闭上眼睛不再言语。站在蒋介石一边的侍从室第六组组长兼军统局帮办唐纵，在当天的日记中记载，六组首接方先觉来电，“读后不禁暗然神伤，热泪夺眶！查衡阳自六月二十六日敌军迫城至本月八日止，达四十四天，我援军始终不能攻达衡城，致守城士兵全军玉碎，痛叹无已！”[19]
另据《总统蒋公大事长编初稿》记述：
迄黄昏时据空军侦察回报：“城西北角似有战事，其他符号则仍指向西南，表示敌正进攻中云。”公于研判后自记曰：“综核各报，城北一部虽被敌攻破，但其范围未曾扩大，尚非绝望之局，只有督促援军，明日能如期急进，以势论之，此次战车之参战，应可如期成功也。”是夜公起床祷告凡三次几未入眠也。
八月八日，公以衡阳会战守军苦斗至此历时凡四十七昼夜，故于凌晨四时即起默祷能转危为安。至五时犹得衡阳电讯，拒十五分钟之后电讯中断，自此即绝不复通矣！旋于十时许犹接空军侦察报告：“衡阳城内已不见人迹。”于是乃确知衡阳已陷矣。公因自记所感曰：“悲痛之切实为从来所未有也。”[20]
衡阳攻守战，国民党第十军以1.7万人的劣势兵力，与11万日军相抗，坚守孤城47天，在仅2平方公里的战场上，数度肉搏，以死伤1.5万人，亡7000余人，军长方先觉以下参谋长、四师长被俘的代价，致敌死伤7万余众，其中4.8万人被击毙， 日军六十八师团师团长佐久间中将于此役被击毙，五十七旅团长吉摩源吉少将，被迫击炮弹自腹部贯穿而亡。[21] 衡阳之战，是抗战史上最惨烈的剧战，尽管打出了第十军全军覆没的悲剧，衡阳最终失手，但同样打出了中国军队在抗日战争中防御作战独一无二的巅峰，也是少有的在一次战役中，日军伤亡人数大大高于中方的一次大战，如此大小悬殊的比率，在世界战争史上极为罕见。日本战史把此次战役称为“中日八年作战中，唯一苦难而值得纪念的攻城之战”，其“牺牲之大，令人惊骇。”[22]也正是由于此次衡阳久攻不下与官兵伤亡惨重，引起日本军政两界及社会舆论对东条英机内阁的痛责。在群起声讨中，东条内阁于7月18日倒台散架。纵观抗战八年，真正血火交织的死打硬拼之战，自淞沪始，以衡阳终，其间不过数场而已。
