衡阳守军顽强死守。相持至8月1日，日军又猛攻西禅寺。迄3日拂晓，西禅寺守军阵地失而复得3次，伤亡惨重。经过一个多月的苦战，第十军伤亡极大，连杂兵夫役亦抽调投入第一线战斗，状极惨烈。

日军自第二次总攻后，仅夺得小部分阵地，无大的进展，损伤却更惨重。衡阳久攻不下，日本中国派遣军甚感不安，日本大本营也极为不满。日本第十一军司令官横山勇增调兵力，亲自指挥进攻衡阳之战，以5个师团之兵力，于8月1日集结于衡阳外围。此时衡阳城内伤亡惨重，粮弹匮乏。城内士兵只能吃烧焦的米煮成的糊饭，佐以盐水。阵地附近池塘的鱼虾浮萍均被采食一空。受伤士兵无药品疗治，只能用盐水洗伤口，用废纸破布包扎，伤口多化脓，溃烂生蛆，重伤者无法救治待死。

8月3日，日军对衡阳大肆轰炸，4日晨开始第三次总攻击。在日军猛攻下，坚守衡阳城一个半月的第十军已疲弊异常，难以再战。8月5日，周庆祥师长主张突围，但城内伤患六千多人，无法随军行动，方军长决心继续死守。方先觉军伤亡极大，阵地多处被毁。7日，日军从衡阳城北门突入。是日，方先觉与各师长联名，向统帅部发出“最后一电”：“敌人今晨由北门突入以后，再已无兵可资堵击。职等誓以一死报党国，勉尽军人天职，决不负钧座平生作育之至意。此电恐为最后一电。来生再见！”

方先觉第十军官兵守卫衡阳城达47昼夜，在日军猛烈攻击下，顽强拼搏，坚守待援，直至阵地全毁，伤亡惨重。8月7日夜，方先觉派参谋长孙鸣全与日军谈判，停止抵抗。衡阳于8月8日陷落。

衡阳之战，中国军队伤亡约15000人，阵亡6000余。据日方统计，是役日军伤亡近两万人。日本战史承认，此役“牺牲之大，令人惊骇”，“不独严重地妨碍了‘打通大陆’的日程”，并且遭受了重大伤亡，是“苦难的战役”。

第十军英勇顽强坚守衡阳城47昼夜，迟滞了日军打通大陆交通线的进程，歼灭了大量日军，表现了中华民族不怕牺牲，抗击外敌的崇高精神。日军战史称：方先觉为“骁勇善战之虎将”，第十军“寸土必争，其孤城奋战之精神，实令人敬仰”。日本军官谓：“中国军队勇敢作战的情形，不仅此地日军敬佩，就连日本天皇和大本营都已有所闻。”故而，衡阳城虽然失陷，第十军依然光荣。

方先觉军长蒙难后，日军将他押至天主教堂软禁。他向日方提出的三项要求是：1，保证生存官兵安全，并让他们休息。2，收容伤患予以治疗，并郑重埋葬阵亡官兵。3，守城官兵绝不离开衡阳城。这使受难官兵2000余及伤患官兵7000余，免除了被屠杀的恐怖。

经救援，方先觉脱险逃离衡阳，于12月11日到达重庆。重庆出现热烈欢迎方先觉的热潮，张贴标语：“欢迎抗战的灵魂归来”。

《大公报》1944年12月13日发表社评《向方先觉军长欢呼》：“苦战衡阳四十七天的英雄方先觉军长回来了！……我们情不自禁地要向方军长欢呼：‘我们的英雄回来了！我们的抗战精神回来了！’”“拿衡阳做榜样，每一个大城市都打四十七天，一个个地硬打，一处处地死拼，请问：日寇的命运还有几个四十七天？”《救国日报》1944年12月20日发表社论《方先觉不愧张睢阳》：“抗战八年，战死疆场的英雄烈士，至少数十万人；而保卫国土，至死不屈者，亦不在少数；而其对国家贡献最大，于全局胜败有决定作用者，当推衡阳之守。”“方军长因弹尽援绝，防无可防，始被敌人俘虏。这在方军长及其部下，真百分之百尽了职分，不论对于国家，对于长官，对于国民，均无愧色。”文章将方氏与唐代安禄山之乱时死守睢阳的守将张巡相媲美。