中路日军第116师团和第68师团在日军总攻长沙之前，即已于6月13日和16日分别轻易地占领了株洲及清江铺。
守军暂2军退守渌水南岸。
配属第116师团的第68师团第133联队则西进，占领了湘潭。
守军新23师退至涟水以南，转移到东台山一带。
6月19日，第116师团（附第68师团的第57旅团）由株洲附近西渡湘江，分两路各沿湘江西岸及易俗河向衡阳前进;第68师团（欠第57旅团）由石亭附近渡过渌水，击退暂2军后沿湘江东岸向衡阳急进。
第68师团于23日即已突抵泉溪市附近，并渡过耒河，击退暂54师的警戒部队。
24日傍晚，以一部西进，进攻五马槽衡阳外围阵地，主力经赤水塘西渡湘江，向衡阳以南迂回。
迄27日，日军第116师团进至衡阳城西郊，突破守军第3师阵地，逼抵瓦子坪、虎形山主阵地前;第68师团一部突破五马槽第190师前进阵地和冯家冲主阵地，并攻占了飞机场;主力则突破衡阳城南黄花岭、欧家町预10师的警戒阵地，进至铁路线预10师的主阵地前。
至此，衡阳已处于日军的三面包围之中。
衡阳位于湘江中游，系粤汉铁路和湘桂铁路的交会点，是第九战区的重要战略基地之一。
该城东端紧临湘水西岸。
防守衡阳的部队为第10军，下辖第3师、第190师及预10师。
第190师及暂54师原在湘江以东，日军第68师团独立第64大队攻占湘江东飞机场，将190师及暂54师从中间割断后，第10军为集中兵力、缩短防线，于26日夜将该两师调回湘江西岸衡阳市区。
其中第190师是后调师，仅有1个第570团是个完整的团，其余各部均仅有干部;第3师有1个团尚在衡山附近。
另外还配属有暂54师（欠2个团）及48师的战防炮营、第46军的1个山炮连和第74军的野炮营。
此时在衡阳的防御部署是:第3师防守衡阳西北部，预10师防守衡阳西郊，第190师防守衡阳南郊，暂54师防守衡阳北郊。
6月27日夜，日军完成了攻城的准备。
6月28日拂晓，日军发起总攻。
守军各部队在炮火支援下坚守阵地，并不时予以反击。
激战终日，日军毫无进展。
第68师团师团长佐久间为人及其参谋长原田贞三郎等被炮击负重伤，由第116师团师团长岩永汪统一指挥两师团。
29日日军仍毫无进展。
岩永汪将衡阳以西四塘附近担任侧背警戒的第133联队投入战斗，与炮兵第122联队协同，企图于7月1日进攻城西坚固据点张家山。
激战至7月2日，除主攻方向上经多次反复争夺的张家山被日军第133联队攻占外，其他方面的守军均击退日军的多次进攻，守住了阵地。
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