8架、驅逐機113架支援作戰。
第九戰區與日軍第11軍在湖南已有3次作戰經驗。
戰區司令長官薛嶽發覺日軍有進攻長沙企圖時，仍按以往的方針，以一部兵力利用新牆河、汨羅江及洞庭湖兩岸之既設陣地，節節抵抗，遲滞其前進，主力則分别集結于創陽、長沙、衡陽及湘江以西之要地，誘敵進入重兵地區，進行包圍、分割，予以殲滅。
其部署為：第1集團軍警備梁家渡、市漢街、高安、奉新、靖安之線。
新10師控制于樟樹，新11師控制于分宜。
第30集團軍警備武甯，九宮山、通城，九嶺之線。
新15師控制于修水，第27集團軍警備黃岸市、新牆、鹿角、磊石山之線。
第133師控制于長樂街；第99軍任營田、湘陰、蘆林潭、沅江、漢壽一帶江防、湖防。
戰區直轄部隊，第37軍一部警備陽羅江，主力集結于甕江、浯口，第4軍警備長沙，第44軍集結浏陽，暫2軍集結株洲、渌口，第10軍集結衡山、衡陽。
日軍為求吉利，選擇其海軍在1905年在對馬海峽戰勝沙俄海軍的5月27日（日本海軍節）發動進攻。
1944年5月27日拂曉，日軍分3路南下：左翼第3、第13師團由崇陽地區進攻，突破第72軍陣地後，于6月1日攻占平江，又擊退第58軍及第44軍的部隊，于6月14日攻占浏陽；右翼第40師團。
由華容地區進攻，突破第99軍防線後，于6月5日攻占沉江，12日占領益陽，16日與第58師激戰于甯鄉；中路第68、第116師團由嶽陽地區進攻，迅速擊退第20軍一部渡過新牆河，31日再渡淚羅江，6月8日攻占湘陰，10日強渡浏陽河，15日攻占株洲，對長沙形成包圍，此時，第2線3個師團亦已投入戰鬥，16日開始，第34師團及第68師團第57旅團猛攻嶽麓山，第58師團攻擊長沙城。
防守長沙城及嶽麓山的第4軍3個師依托既設陣地，抗擊至18日晨，軍長張德能放棄長沙退走永豐，得突圍者僅2000餘人。
為了策應日軍第11軍作戰，中國派遣軍令第13軍派駐杭州的第70師團從金華進攻衢州，以牽制第三戰區的部隊不向湖南調動。
6月10日，沿鐵路兩側攻擊前進。
12日攻占龍遊。
以後即遭到守軍第26、第79師的堅強抵抗，第105、第145、第146師亦投入反擊。
日軍駐金華的獨立步兵第104大隊增援後，守軍退守衢州城。
6月26日4時40分，日軍開始攻城，5時15分突入城中。
守軍撤退至衢江，因船隻下足，大部泅渡，遭追擊日軍火力集襲、傷亡甚大。
日軍僅1個師團，深入擁有3個集團軍的第三戰區80公裡。
第三戰區作戰17日，不僅未能圍殲日軍，也未能阻止日軍、反而損失1000餘人。
看來，仍是保存實力思想造成的，日軍第70師團占領衢州後，認為牽制任務已經完成，于27日開始撤回金華。
長沙失守後，軍委會令薛嶽确保衡陽。
日軍第11軍将主力停止于攸縣、醴陵、湘鄉一帶，令第68、第116師團及第34師團第218聯隊進攻衡陽。
6月28日，日軍開始進攻，遭守軍第10軍（方先覺）的堅強抗擊，在飛機、大炮支援下，猛攻至7月2日，僅前進1公裡，部隊傷亡很大，第68師團長佐久間為人及參謀長均負重傷，彈藥亦将告馨。
橫山勇被迫下令暫停攻擊，進行休整補充。
當日軍進攻衡陽時，薛嶽令第30集團軍總司令王陵基指揮第26、第58、第72軍實施反擊，6月28日收複萍鄉，7月4日進攻醴陵，幾乎全殲日軍騎兵第3聯隊。
後日軍第27師團等多路增援到來，于10日又奪占醴陵。
日軍第68、第116師團經休整補充及加強炮兵後，于7月11日上午開始第2次攻擊。
雖然以大量火炮進行轟擊，仍遭到守軍英勇抗擊，日軍第116師團之精銳部隊第133聯隊3個大隊的大隊長相繼陣亡，每大隊僅餘不足100人。
連續激戰10晝夜，至7月20日，橫山勇見久攻不下，傷亡慘重，再次下令停止進攻。
經整頓補充後，增調第58、第13師團及軍炮兵隊，于8月4日在第1飛行團直接支援下，發動第3次攻擊。
但在守軍的拼死抵抗下，激戰至8月7日，多次沖擊均被擊退，第68師團第57旅團長志摩源吉陣亡，僅第58師團獨立第93大隊突破小西門陣地，到達市區邊緣。
此時，衡陽外困的中國軍隊第79，第100、第62軍等正由衡陽以西奮力向衡陽突進，企圖解衡陽之圍。
阻擊第62軍的日軍第40帥團第234聯隊傷亡慘重。
其第3大隊的4個中隊，最多者剩24人，最少者僅剩2人。
中國軍委會調來增援的第74軍、機械化第200師、第48師及戰車第3團等，均将到達衡陽地區。
但就在這時，英通抗擊日軍達47大的第10軍軍長方先覺，于8月7日夜派參謀長孫鳴全與日軍聯系，8日晨，與日軍第68師團長堤三樹男在城南天主堂會見，率其第3、第190、預10師及暫54師的4個師長及殘部13306人（大部為重傷病員，能戰鬥者約4000人）放下武器，停止抵抗。
衡陽為日軍占領。
日軍第11軍高級參謀島貫在當天的日記中寫到：“上午8時克衡陽……我方面對前來解圍的敵軍，多少有些動搖……如固守衡陽之敵誓死決一死戰，或将出現‘英帕爾’的結局”（1944年新1軍第15軍從緬甸進攻印度英帕爾，慘敗而歸，10萬人僅剩3萬人）。
衡陽失守後，中國軍隊以一部在衡陽以西攻襲日軍，主力撤至洪橋一帶。
9月1日，日軍第3、第13、第40、第58師因