身爲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，然後集中第四十、第五十八和第六十四三個師團，這就是五個師團的兵力。
爲了破開防禦，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，情況就彙總到指揮部。
“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，趁着衡州周圍比較安全，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，以步兵大隊爲批次，在炮火的掩護下不計代價的瘋狂進攻，不斷髮動衝鋒，看起來這次日軍已經急紅了眼，守城部隊的傷亡也在增加。
機動部隊和第四遊擊師仗着自身的火力強大，死守陣地絕不後退半步，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，近距離是輕機槍和衝鋒槍，從早晨打到晚上，日軍一步也沒法逼近，只留下一地的屍體。
二十二日上午，東條英機宣佈辭去首相職務，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，與守在鹹塘鎮的第三遊擊師爆發激戰。第三遊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，以衡州爲誘餌，把日軍的主力部隊吸引過來，然後中間開花夾擊日軍，現在想想，我怎麼就這麼幼稚，在山城政府混了這麼多年，簡直是白混了！”
“這些都是中央軍的精銳，一個軍面臨的敵人，可能只是日軍的一個步兵聯隊，甚至是兩個步兵大隊，就這樣的情況還打不開通道，是我犯傻了，居然還想保住衡州，傳我的命令，今天下午四點鐘開始撤退。”
韓霖聽到軍令部給他的通報，三路援軍居然遭到日軍的阻擊，聲稱無法按時支援衡州，立刻就下令自己的部隊撤退。
“韓主任，目前我們正在激戰狀態，雙方的部隊交錯在一起，我們現在撤退，日軍一定會進行追擊，是不是等到晚上再撤退，這樣部隊會安全一些？”方子珊問道。
“晚上我們就撤不掉了，不要小看日軍的進攻速度，等到五個師團的部隊包抄過來，我們三個師根本頂不住，關鍵是沒有援軍，彈藥物資得不到補充，一旦被切斷向東撤退的道路，不但我們要困死在衡州城，就連圍殲日軍第三師團的計劃也會就此破滅。”
“第三師團在攸縣，面對着三個軍和一個師的包圍，這時候彈藥也基本消耗一空，我們參加圍攻的部隊數量多，輪番進行襲擊，他們正是最爲疲憊的狀態！衡州之戰我們輸了，可雖敗猶榮，衡州已經沒有死守的必要了，接下來我們如果能圍殲日軍的一個甲種師團，就是大獲全勝！”韓霖說道。
當天下午，第十軍餘部和第四遊擊師，率先從湘江渡江抵達東岸，然後擺開陣勢，接應最後撤離的機動部隊。機動部隊按照撤退路線，各部之間交替撤退，絕不給敵人留下閃擊的機會。
渡過耒水的榴彈炮營，爲了解除第三遊擊師的激戰，在汽車的牽引下，抵達第三遊擊師的背後，對着第二十七師團和第三十四師團，發動了猛烈的炮擊，隨後第三遊擊師撤出陣地，不慌不忙的原路撤回了泉溪鎮，
“你這次使用的戰術很完美，先把日軍攻城的主力打殘了，日軍的調動集結需要時間，如果周圍的部隊能夠按時抵達，靠着美械師的火力進行壓制，陸軍航空兵給予支援，衡州不可能失陷，還有可能創造一次勝利！”
“怪就怪山城政府的軍隊怯敵畏戰，遇到小股敵人的阻擊，就畏縮不前，軍委會的軍令得不到貫徹執行，白白浪費了這次機會！可惜，這不是我在指揮，否則哪有這樣的結果？”史迪威嘆道。
他眼瞅韓霖的部隊與日軍血拼，日軍所有能夠調動的主力，都被吸引到衡州附近，前來增援的第七十九軍三個師，第一百軍兩個師，第六十二軍兩個師，如果能夠按時抵達衡州，絕對是另一番場景。
“將軍，他們這些部隊也都是和日軍拼殺到現在，參加了潭州作戰，自身的損失也不小，山城政府的後勤保障體系不達標，兵員補充和彈藥物資補充都無法滿足作戰需求，到了這一步，我們還是把目光盯住日軍第三師團吧！”
“這可是一個日軍建軍以來的老牌師團，如果能把第三師團吃掉，對日軍是極爲重大的損失，對軍心士氣的影響更是無法估計。打完這一仗，後續日軍必然採取守勢，以後等到第十一軍的主力進入桂省，我們再找時機打回來，切斷敵人的後勤運輸線，逼着他們自己撤離。”韓霖說道。
總共手裡就這麼點部隊，不管是美國人還是山城政府，都不會允許美械師離開機場駐地範圍，接下來日軍進攻桂省的戰役，韓霖知道自己沒辦法參與了。
如果能夠圍殲日軍第三師團，導致日軍的實力大大減弱，對以後收復衡州和潭州，將起到至關重要的作用。衡州是在他手裡失去的，他必須要奪回來。