6月16日，日军在航空兵直接支援下，对岳麓山及长沙市发动总攻，第34师团当天攻占了岳麓山东、西的虎形山和牛形山。
黄昏时，日军第58师团突破第59师修械所阵地，59师撤守妙高峰、天心阁核心地带。
6月17日晨，日军在航空兵掩护下向天心阁和桃花山阵地猛攻，并施放大量喷嚏性毒气。
双方死伤均极众。
岳麓山方面，日军第68师团的第58旅团由第34师团右翼迂回至守军第90师左翼，猛攻燕子山阵地，第90师的第268团损伤过半，形势极为严峻。
第4军决定将军主力增援岳麓山，令第59师及第102师各留1个团继续防守长沙市，其余部队于入夜时渡湘江转移至岳麓山。
渡河仓促，坠江溺毙者，不下千余，加上日军在牛形山及其东面以猛烈火力侧击半渡的部队，致死伤更众。
后续渡河部队被迫折返东岸。
18日晨，渡河部队到达湘江西岸时，岳麓山核心阵地已失，被迫退出岳麓山。
其后复被尾击，直溃退至邵阳。
留于长沙的2个团，在日军猛攻下更无法支持，一部千余，由北门冲出东山，沿途与日军战斗，退至茶陵归27集团军欧副总部收容、指挥，长沙遂于18日15时被日军占领。
“中国派遣军总司令部”
为了策应第11军作战，在日军进攻长沙期间令第13军派驻杭州的第70师团从金华进攻衢州，以牵制第三战区的部队向湖南调动。
6月10日第70师团沿铁路两侧攻击前进，12日攻占龙游，以后即遭到守军第26、第79师的坚强抵抗。
第105、第145、第146师亦投入反击。
但在日军驻金华的独立步兵第104大队来援后，守军退守衢州城。
6月26日4时40分，日军开始攻城，5时15分突入城中。
守军撤退至衢江，因船不足，大部泅渡，遭追击日军火力集袭，伤亡甚大。
日军仅1个师团，深入拥有3个集团军的第三战区80公里。
第三战区作战17日，不仅未能围歼日军，也未能阻止日军，反而损失1000余人。
日军占领衢州后，认为牵制任务已经完成，于27日开始撤回金华。
日军第11军在开始向长沙发起总攻的6月16日即向各部队下达了在第九战区失守长沙、宁乡等地后，乘其混乱、尚未组织起新的防御体系之前迅速突进攻占衡阳的命令，因而预定用以攻击衡阳的第68师团及第116师团在长沙尚在激战之际即渡过浏阳河南下，在长沙弃守时已进至株洲及其以东的清江铺地区，尔后准备沿湘江两岸向南快速推进，直趋衡阳。
东路日军第3师团及第13师团占领浏阳后即继续向醴陵、萍乡前进，并准备向攸县、安仁、耒阳（耒县）推进。
湘江西岸的西路日军第40师团于19日攻占宁乡后亦继续南下湘乡，并准备向衡阳以西的永丰、渣江前进，与东路日军遥相呼应。
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