九月上旬，休整了數天並補充了大批作戰物資後，衡陽地區的國民軍第十師和第一混成旅聯合桂軍第十三師發起了第二輪衡陽戰役，此次戰役以第十師爲主力，第一混成旅從東部配合，向衡陽核心防禦地區挺進，而西部則是由桂軍之第十三師負責。戰役發起後進展較第一次衡陽戰役迅速，九月三號第十師就集中兵力率先擊潰了北洋軍之防禦主力第七旅下屬一團，不過隨後向衡陽地區挺進的過程中，桂軍之第十三師一團遭遇北洋軍反擊潰敗，牽連第十三師形成整體後撤，造成西面戰線寸步不能進，西線不進反對，也讓南部戰線的第十師受到了牽連，側翼被北洋軍所所謂，不得已之下第十師重新調整了進攻方向，承擔了一部分西線戰事，幫助桂軍第十三師獲得重整的時間，而這個變動也是拖延了第二次衡陽戰役的進展。
九月八號，國民軍之第一混成旅歷盡半個月激戰後終於擊潰了部署在湘江東部區域的湖南第三師，迫使湖南第三師向北撤退到數據衡陽數十里外的大浦鎮，然而戰役時間拖的太長，加上並沒有重創湖南第三師，只是擊退了而已，湖南第三師撤退到大浦後依舊保持了一定的戰鬥力，使得第一混成旅快速攻佔衡東的戰役企圖就落空了，於是第一混成旅乾脆就放棄了進攻衡東，而是尋找機會直接度過湘江，切斷衡陽北洋軍的退路。
九月十三號，俞紹瀛的第十師再一次發動進攻，依靠兵力優勢再一次擊潰北洋軍一部分的兵力，這個時候西部方向的桂軍第十三師也是從之前的打擊中恢復了過來，在西部方向發起了配合進攻。
第十師彙集主力在衡陽城區內和北洋軍主力展開激戰，隨後攻佔衡陽城區，北洋軍第七旅殘部向北撤退，湖南省陸軍第二師一部分被桂軍第十三師糾纏住了，剩下一部分則是被第十師糾纏住，第一混成旅試圖渡江切斷北洋軍退路，但是被湖南省陸軍第三師所牽制而未能完成，導致讓北洋軍第七旅和一部分湖南省陸軍向北撤退，不過此時湘江西岸北逃的北洋軍和湘軍加在一起也不足五千之數了。
此役雖然沒能夠做到和巢湖戰役一樣圍殲敵軍主力，而且耗時很長，整整持續了將近一個月的時間纔拿了下來，不過戰果也算不小，湖南南部地區的兩個湖南省陸軍和一個北洋軍第七旅以及數千其他湖南省雜牌部隊幾乎被殲滅了半數，北洋軍嫡系的第四師之第七旅只剩下一千多人北逃，另外一起北逃的還有三千多湖南省雜牌軍。唯一保持了較爲完整編制的只剩下一個湖南省陸軍第三師，而湖南省陸軍第二師可以說已經是被成建制的消滅。加上之前的國民軍在梓州發動的戰役、桂軍在永州發動的戰役，幾乎是掃平了湖南南部的北洋軍以及湖南省南部的本地軍閥勢力，包括殺傷，俘虜、投降在內一共取得了至少殲滅敵北洋軍三千餘人，敵湖南省陸軍一萬餘人的戰果。
由於湖南方向只是次要戰場，加上統帥部對拿下湖南也沒有急迫的時間要求，並沒有給林成坤的第四軍定下很急的時間限制，所以第四軍在湖南戰役中一直保持了很保守的作戰方式，進展雖然不大，也沒有一局定乾坤的大決戰，但是這種穩紮穩打的方式卻是極爲適合第四軍在湖南地區的作戰，有效的控制了自身的傷亡，進攻湖南南部地區的第十師和第一混成旅作戰兩個多月以來，總數的傷亡連千人都不到，陣亡的只有數百人而已。
反倒同爲南方聯軍的桂軍傷亡不小，先前進攻永州的時候桂軍和對面的湖南省陸軍是半徑八兩，而陸榮廷有急着拿下永州，試圖擴大地盤所以是打的很急，以至於前線部隊損傷不小，進攻的主力桂軍之第六混成旅損傷過半，後續戰鬥中不得不停止前進並留在了永州休整，值得桂軍只能派遣第十三師參與了衡陽戰役。
儘管陸榮廷已經着重吩咐過前線部隊要保存力量，硬仗讓國民軍去打，自個在後面撿便宜就行了，一個月的進攻當中也是沒怎麼出力，主要是靠國民軍在南線進攻，桂軍負責的西線都是三天打魚兩天曬網幹看戲，可是北洋軍爲了達成長期堅守衡陽的目的，試圖前期集中優勢兵力殺傷一部分南方聯軍，北洋軍也知道挑個軟趴趴的對手好過和國民軍硬拼，於是乎桂軍雖然沒主動進攻但是依舊遭到了北洋軍的主力反擊，進而傷亡慘重，等攻佔了衡陽後，原本有一萬多人的第十三師就只剩下七千多了，整整傷亡了三千多人。
陸榮廷得知了前線損失慘重的時候，臉『色』黑的可怕，而在得知國民軍前後一共的損失才千人不到的時候，他心裡就更不是味道了。要知道他派往湖南作戰的第六混成旅和第十三師加起來，這傷亡已經是超過了六千人，並且他還知道這攻佔衡陽的主力可是國民軍的第十師，可不是他的桂軍。?? 辛亥大軍閥380
“難道差距就這麼大？”陸榮廷是有些不太相信的，國民軍能打他是相信的，但是他不相信國民軍這麼能打。
而根據前線將領的回報，說和桂軍聯合作戰的國民軍第十師說起素質來也沒有多高，那些國民軍士兵們雖然一個個吃飽喝足雞鴨魚肉都有，但是頂多就是身體強壯一些，遠沒到神兵神將的地步，那些普通國民軍軍官們雖然嘴上天天叫嚷着國社黨萬歲，陳敬雲萬歲一個個看起來都不怕死的樣子，但是真上了戰場後全都是躲在後邊的角『色』，反正桂軍就從來沒見過國民軍營長以上的軍官帶頭衝鋒勇敢作戰的例子，一打聽，竟然被告知國民軍中嚴禁中高級軍官帶頭衝鋒，這讓桂軍將領們感到不可思議。甚至一段時間內認爲國民軍上下都是怕死，沒有勇氣的懦夫角『色』，而起國民軍裡頭小規模部隊被北洋軍擊敗擊潰的例子也時有發生，這就更讓桂軍將領更加鄙視國民軍的軍官和士兵的素質了。
而對中高級軍官的指揮能力，桂軍將領對國民軍的評價也不高，至少在衡陽戰役中，桂軍的諸多高級將領對國民軍的指揮是有些看不上眼的，持續了一個月的戰役中幾乎沒有任何指揮上的亮點，沒有奇襲，沒有以少勝多，沒有堅守不退，總之桂軍是怎麼也看不出來這支國民軍身上有着優秀軍隊的素質，更加不理解陳敬雲怎麼能靠如此素質的部隊就奪下了東南數省奠定了爭霸基礎，更加不理解怎麼能夠和北洋軍硬拼。
不過桂軍很快就是找到了理由，那就是國民軍的裝備好！
國民軍的裝備極好那是國人是很多人都知道的，而這個第十師也算是讓桂軍開了眼界，不但是清一『色』的漢陽造，還有整整一個團三十多門五十七公釐速『射』山炮（60毫米速『射』山炮），還有大批的輕重機槍，這些裝備讓那些桂軍將領們看了直流口水，說起來桂軍也是有漢陽造的，也是有機槍的，也是有山炮的，但是卻不可能做到和國民軍這麼大的規模。
桂軍的裝備大多數都是以前從前清新軍的武器，少部分是辛亥後小批量進口的，另外有一份則是向各大軍閥買的，比如他向國民軍就買了一大批槍支，漢陽、日造，曼利夏都有。其實步槍還好說，雖然型號繁多複雜了些，但是多少能保證數量，而要想做到和國民軍這樣統一口徑和制式就無法辦到了。這年代的中國軍隊要統一步槍的話難度不小，就算是國民軍也只能統一了口徑和彈『藥』，但是步槍任舊是列裝了三種之多。而北洋則是連彈『藥』都無法統一，有些部隊是日造步槍的六點五毫米子彈，有些部隊88式以及漢陽造的七點九二圓彈，而辛亥後北洋軍大規模擴編，那些主力師雖然編制沒變動過，但是所轄的兵力大多都是超過了編制，有着獨立旅、獨立團或者補充旅、補充團的編外編制，加上歷次作戰造成的損失，就使得了北洋軍各師已經極難保持當初的每一個師都保持統一制式的規模了。
北洋軍如此，其他軍閥就更糟糕了，南方三大軍閥當中的滇軍和桂軍裝備的步槍型號複雜，基本上什麼型號都有，不管是日造步槍還是漢陽造又或者是曼利夏，以及其他各種步槍都有，加上各部隊的裝備一分發下去後根本就沒機會重新整理，所以就造成了幾乎每一支部隊裡都存在着好幾種不同槍支和子彈的口訣，比如這第十三師就是有這日造步槍和漢陽造，另外還有小部分的法國步槍。
不過步槍無法統一，口徑也無法統一，但是步槍數量好歹是足夠了，主力部隊總算不用裝備那些單發後裝槍甚至是前裝槍。
但是機槍和火炮陸榮廷就無能爲力了。