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　　1944年5月，日军在大举进犯豫中的同时，为打击湘中中国守军，贯通粤汉铁路，由第11集团军司令官横山勇指挥日军10个师约20余万人，兵分3路，开始向湖南发起进攻。其部署是：中路，第34、第58、第68、第116师由岳阳东南沿粤汉路作主要攻击；东路，以第3、第13师自崇阳附近，西路以第40师及第17旅自华容实施辅助进攻，另有第37、第64、第27师位于临湘、蒲圻一带担任增援。中国第9战区司令长官薛岳指挥16个军54个师，共40余万人，仍采取长沙会战之战法，策定以一部兵力利用既设阵地，节节阻击日军，迟滞其前进，主力集结于后方，诱敌于有利地区实施包围攻击，粉碎日军企图。

　　5月26日，日军开始进攻。东路日军第3、第13师经过激战，于29日突破守军第72军阵地占领通城，6月1日、2日又先后侵占长寿街和平江；中路日军4个师向守军第20军阵地发起攻击，占领新墙后于30日直趋汩罗江北岸；左路日军第40师及独立第17旅由华容渡洞庭湖向沅江守军发起攻击。激战至6月6日，日军主力突破汩罗江阵地，进至永安、捞刀河、沅江一线，另有一部日军经卢林攻占湘阴。中国军队积极反击，歼灭日军一部。9日，日军强渡捞刀河，突破浏阳一带防线，对长沙形成包围之势。14日，日军开始攻击长沙。守军第4军与敌激战4日，因外围阵皆失遂于18日向南突围，长沙沦陷。

　　日军占领长沙后继续向衡阳进犯。至20日，日军先后攻占醴陵、株洲、渌口、湘潭等地。中国军队转向渌水南岸进行抵抗。24日，右路日军南下攻占攸县、安仁、耒阳等地，第9战区积极反击，曾一度收复攸县、官田、醴陵。左路日军第40师团南下攻占湘乡，26日再占永丰，遭中国守军反击，改取守势。中路日军在两翼策应下，沿粤汉铁路两侧南下，向衡阳市郊突进。6月28日至7月20日，日军两次进攻衡阳，均因守军顽强抗击，日军伤亡惨重，被迫停止攻击。8月3日，日军增调部队后开始对衡阳发起第3次进攻。中国第10军与日军反复争夺，不断击退其进攻。苦战至8日，守军弹尽粮绝，伤亡殆尽，阵地全毁，第10军军长方先觉命令停止抵抗，衡阳被日军占领。至此，长衡会战结束。此役，中国军队在兵力上虽占优势，但因部署不周、指挥不当，尽管广大官兵不屈不挠，与日军死战硬拼，喋血苦战48天，最终未能破坏日军占领衡阳，控制粤汉、湘桂铁路的企图。这次会战，中国守军伤亡9万余人，日军伤亡也达6.6万余人。

　　学术界也将“长衡会战”分为二个阶段：

　　第一阶段又称“第四次长沙会战”，从5月27日到6月19日，中日双方以争夺长沙为目标在湖南北部地区作战。

　　第二阶段又称“衡阳保卫战”，从6月20日到9月初，中日双方以争夺衡阳为目标在湖南中东部地区作战，长衡会战的结束时间为9月上旬。国内外学术界均以1944年8月8日衡阳沦陷为准。