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。
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。
长沙失守后，军事委员会为保卫衡阳、阻敌深入，于6月20日对第九战区下达了作战命令。
日军通过空中、地面侦察，根据中国军队的集结、调动情况，再结合以往的一贯战法，大致上已判断出军事委员会集中兵力分由东、西两面实施夹击的战役企图，遂令东、西两路日军集结兵力，加强对醴陵、宁乡方面的作战，以掩护中路日军进攻衡阳。
东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后，仅以一部兵力继续南下。
而以主力向东进攻准备实施夹击的中国军队，在刘公庙附近重创第26军，并迫使第58、第72军向东撤退，于22日占领了萍乡。
日军第3师团亦于萍乡以北地区击溃了第58军。
军事委员会计划的反击作战已无法实现。
西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南下，在湘乡以北击退第73、第74军，于22日攻占湘乡。
守军新23师（附第92师1个营）退守石狮江、三枣。
与此同时，中路日军第116师团的第133联队，亦向东进攻，配合第40师团，在湘乡东南的东台山一带击退守军第32师。
至此，第40师团即暂停南进，集结兵力准备与由西北南下的第24集团军作战。
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