衡阳守军在激战时，湘桂路及该城外围集结的中国军队共有8个军，不下10万人。蒋介石数次电令外围的部队去解衡阳之围，但最终均未成功。第62、第19两军的解围之战始于7月中旬，其后第46、74两军各一部也到达郊外。18日，第62军一部攻至离城仅5公里处，争占了雨母山高地。
20日，又以3个营的兵力占领了衡阳火车南站。但日军随即发起反击，第62军迅速后撤，此后再也无法同城内守军联系了。
日军报道
在军委会、蒋介石的一再催促下，各军不断与日军交火，雨母山、尖锋山、鸡窝山等高地均几度易手。第62军伤亡惨重，副团长以上军官多名阵亡，攻击尖锋山高地的1个营几尽全军覆没。日军亦有惨重损失，在中方军队的连日攻击和空军的轰击之下，第40师团的第234联队有的中队仅剩2人，最多不过24人。
援军与敌军在郊外成对峙姿态，最后坐看衡阳失守。非但如此，这些解围部队在城内守军投降后来不及重做调整，都陷入了被动挨打的局面之中。
日军进犯衡阳
自1944年5月27日至8月8日，长沙衡阳会战前后历时70多天。双方的人员伤亡，按国民政府军令部的统计，日军为66809人(死1925人)，中方则为90577人(阵亡49370人)。会战结果给中国方面带来的损失是灾难性的。平民百姓的生命财产固然无从确保，国统区又失去了一个重要的粮仓。滨湖地区和湘江流域的稻谷产量占湖南全省的近70％，棉产量年均也在50万担以上，它的沦陷使得西南等地的军民衣食大成问题。抗战伊始，沿海沿江一带的工厂大量地迁来湖南，其数量仅次于四川。
1944年仅衡阳一处就有57家工厂，其机械、冶金、电气、水泥、纺织、造纸、酒精等类的生产在国统区占相当分量。祁阳还有当时中国唯一的一家汽车发动机制造厂。
战事发生后，这些工厂不及再作迁徙，大多被破坏或成了日军的战利品。除此之外，湘省的锑、铅、锌、锰等矿产均占全国首位，锑的储藏在世界驰名。早在日军策划“一号作战”时，就将掠夺湖南的矿产资源考虑在内，这时自然悉数占领。
衡阳会战中的日军
整个会战期间，中方先后投入的兵力有16个军，40多个师，近40万人。日军的参战人数约为10个师团15万至20万人。广大士兵和中下层军官在爱国热情的驱使下表现出大无畏的精神，中美空军也完全掌握了制空权，日机仅能在傍晚或拂晓行动。
但会战结果却是中国方面最终未能扭转形势，究其原因，这是由于上层政治、军事方面的人为因素造成的。
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