由於湘江以東各軍散處日軍側後，距衡陽尚遠，而第62軍已迫近衡陽，因而軍事委員會於7月22日電令第九戰區集中湘江以西部隊向進攻衡陽的日軍攻擊 。23日，軍事委員會又電令李玉堂“即日進駐62軍軍部，直接督促。”
軍事委員會的電令(包括以前的多次電報)均被日軍情報人員破譯，因而日軍對第九戰區各部隊的行動非常清楚。這次獲得情報後，當即將電令內容通知各師團，並令第40師團佔領衡陽西南、正西和西北約10至15公里處的七裡山、兩母山、二塘、城口墟、板橋、狹山衝一線陣地，堵截、阻擊由西方來援的中國軍隊。
同時令第57旅團歸還第68師團建制，令第109聯隊歸還第116師團建制，以便於指揮。第62軍一度突進至火車西站，但在日軍第40師團的反擊下，傷亡甚大，且彈藥告罄，被迫撤退至盤右嶺附近收容整理。第79、第74軍主力及第100軍之第319師亦被阻止於日軍第40師團的堵截線之外。
7月29日，日軍第11軍確知專爲補給衡陽地區的輜重車隊預定8月4日前後可到達衡陽附近，部隊也經過調整，遂於當日下達了攻擊命令:確定8月4日開始第三次攻擊，除令第68、第116師團仍擔任主攻任務、於8月4日向嶽屏山方向攻擊外，另令第58師團於8月5日向衡陽西北方向攻擊，令第13師團以一部兵力在湘江東岸以火力支援湘江以西的作戰。7月27日及8月2日，中國空軍兩次空投蔣介石的手令，鼓勵第10軍堅守衡陽待援 。
8月2日，第62軍及第100軍確已到達三塘、兩母山地區，第74軍亦已到達佘田橋、新橋，第79軍到達望城坳附近，與日軍第40師團激戰。第62軍在進攻二塘、兩母山時與日軍第234聯隊進行了白刃戰，予該聯隊以殲滅性打擊。但由於第62軍等在戰鬥中傷亡亦衆，始終未能殲滅依託工事堅守陣地的日軍殘部，被阻於日軍堵截線之外，未能與衡陽守軍會合。
在此期間的外圍各兵團，除第24集團軍遵照軍事委員會的命令積極向湘江以西進攻衡陽的日軍進攻外，湘江以東的第九戰區各軍沒有進行積極有力的進攻。
8月4日，日軍第68、第116師團對衡陽第3師及預10師陣地發起總攻。5日，第58師團(從長沙增援到來)由衡陽西北投入戰鬥，猛攻第190師陣地。激戰至6日拂曉，第190師退守小西門及其以北的城垣。當日夜，日軍第58師團一部從城西北角突入城內，西南方面嶽屏山、天馬山等陣地亦爲日軍第116師團突破。
7日6時起，日軍集中炮火先對守軍進行了約2小時的炮火準備，爾後發起衝擊。守軍陣地大都被毀，官兵傷亡慘重，五桂山、接龍山等陣地先後失守。但第3師及預10師的官兵仍頑強抵抗。8月7日夜，第10軍軍長方先覺派參謀長孫鳴全與日軍聯繫投降事宜;8日晨，方先覺率其第3師師長周慶祥、第190師師長容有略、預10師師長葛先才、暫54師師長饒少偉及副官處處長孫廣寬在城南天主堂與日軍第68師團師團長堤三樹男會見，正式繳械投降。
據日軍記載，繳械的官兵共13306人(大部爲傷病員，能戰鬥者約4000人)。此時，不願投敵的部分官兵仍在城內進行抵抗。
由第四戰區抽調來援的第46軍等已進抵距衡陽8公里的二塘。衡陽失守後，第九戰區以一部兵力在衡陽以西攻襲日軍，主力撤至洪橋一帶。日軍經休整、補充後，9月1日開始進攻:第3、第13、第40、第58師團向零陵、全縣，第116、第37師團向邵陽進攻。守軍第37軍在常寧進行了較頑強的抵抗;第79、第62軍在白鶴鋪、大營市一帶，第74、第100軍在渣江、永豐一帶，稍事抵抗後再次後撤。
日軍於9月5日攻佔祁陽，7日攻佔零陵，13日佔道縣，14日不戰而佔領築有堅固國防工事的全縣。至此，長衡會戰結束。國民**統計中國軍隊傷亡90577人，日軍傷亡66809人。日軍第11軍統計，至衡陽失守時，中國軍隊陣亡66468人，被俘22460人，被繳獲的武器約爲10個師的裝備。
從會戰開始至7月20日，日軍戰死3860人，戰傷8327人，病7099人，總計傷亡減員19286人。但日軍估計至8月中旬傷亡人數當達到4萬至5萬人。在這兩場連續的戰役中，日軍總計動員兵力約51萬，其參戰兵力之多、作戰地域之廣，打破了日軍侵華以來的空前記錄，據稱在日本陸軍作戰史上亦是史無前例的。
對中國軍隊而言，它也是1938年以來所遭遇到的規模和破壞力最大的一場戰役。數十萬士兵及無數的平民傷亡;國民**的統治區域被日軍的南北通道切成兩半;在失去1/4的工廠的同時，**的財政收入來源亦隨之銳減。
日本軍國主義分子正在狂熱慶祝之時，趙繼統再次給他們潑了盆冷水，他將6月15日，47架B-29從中國成都起飛，轟炸位於日本九州島的八幡鋼鐵廠之事爲先導，證明美國的新式飛機已經有轟炸本土的能力了。應該停止一切攻擊型軍事行動，首先先建立本土防衛圈，其次趁着德國還沒有呈現頹勢以前聯合其尋求和平途徑。
這次他沒有找東條英機，而是找了杉山元將提議遞交御前，雖然杉山元不同意暫停攻擊，但是對於本土防衛圈的設想還是支持的，這也爲他日後能擔任本土第1總軍的司令官打下了基礎，也是天皇記住了鈴木光吉這個名字。
後來從11月一1945年8月，美國空軍對日本98座城市實行戰略轟炸，共出動B一29轟炸機3.3萬架次，投彈16萬噸，炸死23萬人，炸傷35萬人，全日本24%的房屋變成廢墟，更加證明了他的前瞻性。