身為派遣軍總司令官的畑俊六大將親自督戰，橫山勇和第十一軍各部頓時壓力倍增，對第三次進攻衡州的陣容，他經過與中山貞武商議，把目前所有能調動的部隊全都派到了衡州作戰。
這次抽調了正在進攻醴陵的第二十七師團和第三十四師團，每個師團只留下一部繼續執行阻敵增援任務，然后集中第四十、第五十八和第六十四三個師團，這就是五個師團的兵力。
為了破開防御，配屬了坦克聯隊和軍屬炮兵部隊，第十三師團的第一零四步兵聯隊也趕到衡州南部，加起來多達十萬多人的兵力，稱得上是傾巢而出。
特勤局的情報人員，源源不斷的把日軍動向發給韓霖，美軍的偵察機也不斷升空對日軍進行偵察，很快，情況就匯總到指揮部。
“給軍委會發電，如果外圍第九戰區的部隊能在四十八個小時內趕到衡州，我們就繼續堅守衡州，如果支援沒法按時抵達，我們就撤出衡州，準備圍殲被堵住的日軍第三師團。”韓霖在指揮部說道。
“按照軍委會給我們的通報，第七十九軍到達了衡州西北的演陂橋一帶，第一百軍已由漣源南下，第六十二軍正在向白鶴鋪前進，算算距離，別說是四十八小時，一天的時間也很富裕。”方子珊很有信心的說道。
“你可不要對情況太樂觀了，趁著衡州周圍比較安全，先把傷員、繳獲的武器和城內的糧食物資，全部轉移到耒水東岸的泉溪鎮，保證隨時能夠輕裝上陣，狀況的發展未必如我們所想，我們要做兩手準備。”韓霖說道。
二十一日，最先趕到衡州西部的日軍第四十師團和第五十八師團，率先和守城部隊交火，日軍第四十師團是三聯隊九個步兵大隊，第五十八師團是兩旅團八個步兵大隊，總計十七個步兵大隊。
這次攻城動用了十二個大隊，以步兵大隊為批次，在炮火的掩護下不計代價的瘋狂進攻，不斷發動沖鋒，看起來這次日軍已經急紅了眼，守城部隊的傷亡也在增加。
機動部隊和第四游擊師仗著自身的火力強大，死守陣地絕不后退半步，一次次打退敵人的進攻，勇敢作戰且戰術運用得到，觀戰的史迪威將軍對他們的表現非常滿意。
通常是迫擊炮打亂敵人的進攻隊形，遠一些距離使用勃朗寧大口徑重機槍掃射，近距離是輕機槍和沖鋒槍，從早晨打到晚上，日軍一步也沒法逼近，只留下一地的尸體。
二十二日上午，東條英機宣布辭去首相職務，小磯國昭奉命組閣。
日軍第二十七師團和第三十四師團主力，急行軍逼近衡州東北部的茶山坳，與守在咸塘鎮的第三游擊師爆發激戰。第三游擊師的任務是守護南部泉溪鎮的生命通道，保障衢州的主力能夠順利撤出。
“我就不該對這些部隊抱有奢望，以衡州為誘餌，把日軍的主力部隊吸引過來，然后中間開花夾擊日軍，現在想想，我怎么就這么幼稚，在山城政府混了這么多年，簡直是白混了！”