衡陽守軍在激戰時，湘桂路及該城外圍集結的中國軍隊共有8個軍，不下10萬人。蔣介石數次電令外圍的部隊去解衡陽之圍，但最終均未成功。第62、第19兩軍的解圍之戰始於7月中旬，其後第46、74兩軍各一部也到達郊外。18日，第62軍一部攻至離城僅5公里處，爭佔了雨母山高地。
20日，又以3個營的兵力佔領了衡陽火車南站。但日軍隨即發起反擊，第62軍迅速後撤，此後再也無法同城內守軍聯繫了。
日軍報道
在軍委會、蔣介石的一再催促下，各軍不斷與日軍交火，雨母山、尖鋒山、雞窩山等高地均幾度易手。第62軍傷亡慘重，副團長以上軍官多名陣亡，攻擊尖鋒山高地的1個營幾盡全軍覆沒。日軍亦有慘重損失，在中方軍隊的連日攻擊和空軍的轟擊之下，第40師團的第234聯隊有的中隊僅剩2人，最多不過24人。
援軍與敵軍在郊外成對峙姿態，最後坐看衡陽失守。非但如此，這些解圍部隊在城內守軍投降後來不及重做調整，都陷入了被動挨打的局面之中。
日軍進犯衡陽
自1944年5月27日至8月8日，長沙衡陽會戰前後歷時70多天。雙方的人員傷亡，按國民政府軍令部的統計，日軍為66809人(死1925人)，中方則為90577人(陣亡49370人)。會戰結果給中國方面帶來的損失是災難性的。平民百姓的生命財產固然無從確保，國統區又失去了一個重要的糧倉。濱湖地區和湘江流域的稻穀產量佔湖南全省的近70％，棉產量年均也在50萬擔以上，它的淪陷使得西南等地的軍民衣食大成問題。抗戰伊始，沿海沿江一帶的工廠大量地遷來湖南，其數量僅次於四川。
1944年僅衡陽一處就有57家工廠，其機械、冶金、電氣、水泥、紡織、造紙、酒精等類的生產在國統區佔相當分量。祁陽還有當時中國唯一的一家汽車發動機製造廠。
戰事發生後，這些工廠不及再作遷徙，大多被破壞或成了日軍的戰利品。除此之外，湘省的銻、鉛、鋅、錳等礦產均佔全國首位，銻的儲藏在世界馳名。早在日軍策劃“一號作戰”時，就將掠奪湖南的礦產資源考慮在內，這時自然悉數佔領。
衡陽會戰中的日軍
整個會戰期間，中方先後投入的兵力有16個軍，40多個師，近40萬人。日軍的參戰人數約為10個師團15萬至20萬人。廣大士兵和中下層軍官在愛國熱情的驅使下表現出大無畏的精神，中美空軍也完全掌握了制空權，日機僅能在傍晚或拂曉行動。
但會戰結果卻是中國方面最終未能扭轉形勢，究其原因，這是由於上層政治、軍事方面的人為因素造成的。
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