日军越过了长沙，大西南最后一重门户衡阳城，直接面对着日军滴血的刀锋。岩永旺师团和佐久间师团，在两翼策应下，对衡阳虎视眈眈。
这时候，在第十军作战室的隔壁，军长方先觉叉腿立于房中，双手反背，久久仰头凝视着房顶，已达三个多小时。突然，参谋急急忙忙闯入，慌乱地大声喊道：“快，军座，委员长电话！”
方先觉一愣，一反以往的沉稳和宁静，匆匆朝作战室奔去。
“是方先觉吗？”电话里传来蒋介石的声音。
“报告委员长，我是方先觉！”
蒋介石对方先觉下令：第十军在衡阳城中坚守十天到两周时间，以阻滞、吸引和消耗日军，配合外围部队，力争将日军击溃或消灭在衡阳一带。“此次衡阳会战，关系到国家民族存亡，衡阳得失，尤为胜败关键，希弟安心死守，余必督促空军，助弟完成空前大业。”末了，蒋介石加强语气，别有深意地补充说：“方军长，第十军和衡阳城就交给你了！”
方先觉立正回答：“委员长放心，我一定忠于职守，效命党国，人在城在，人亡城失。”
不久，日军飞机飞临衡阳上空，对衡阳市区狂轰滥炸。紧接着，由株洲、渌口沿湘江东岸南下的日军，乘夜晚抵进衡阳城东三十公里的泉溪市，第一九○师派在对岸的少数警戒部队，对日军稍作出击，便撤回阵地，与日军隔岸对峙。
第二天拂晓，日军从泉溪市强渡耒水，向守军的新码头前进据点发起进攻，开始外围作战。守军拉开了衡阳保卫战的序幕。
向新码头进攻的日军，是刚打了胜仗的侵略者，十分骄横，甚至不要火力依托，便组织汽船、橡皮艇和木船向西岸直驶。守军营长杨济和看到日军骄狂，气不打一处来，决定放弃撤退的计划。他认为，与日军初次接触，不战而退，会助长日军气焰，影响本军士气。他命令部队在阵地内隐蔽，待日军半渡至河中心时，再听令开火，使日军进不能、退不及。
日军乘船刚过河中心，杨济和猛地跳出堑壕，大喝一声：“打！”顺手抢过一挺机关枪，端起来，对准河中心射击，机枪子弹与他身边六门战炮发射的炮弹，疾风暴雨般向敌群倾泻。一艘正在疾驶的汽艇，驾驶兵突然被一串飞蝗般的重机枪子弹掀去天灵盖，身子倒下，带动舵盘，汽艇便像被猛抽了一鞭的陀螺，在河中高速转圈，日军木船和橡皮艇被撞翻好几艘。霎时间，中弹和落水的日本兵，如同下饺子般直往河里滚。一路势如破竹的日军，突然遇到如此强烈的抵抗，一下子懵了，几乎是本能地往后逃窜。
日军拂晓渡河，强攻未果，便在午后用一部分兵力，隔河佯作进攻准备，而主力则悄悄绕到泉溪市以南渡河进攻。杨济和识破了日军的企图，便朝西撤到离衡阳城东约六公里的五马归槽据点。撤离时，部队在日军的有效射程内，日军组织火力射击，小钢炮威力很大，导致守军伤亡惨重，战炮连副连长王惠民阵亡，成为衡阳保卫战中牺牲的第一名军官。守军组织还击，日军伤亡、落水者大约三百人。
城外战斗打响以后，日军飞机在市区上空呼啸而过，一次又一次轰炸。衡阳市街多为木板房，天干物燥，市区连日大火，在城内守备的预备第十师第二十八团团长曾京命令部队占领城内最高建筑点，用轻机枪封锁空中，控制那些肆无忌惮的“大和空中英雄”，以保卫城内救火部队安全。他还派出部队专门扑火。方先觉巡视城防时，对曾京说：“你快成消防队队长了。”
日军屡攻不克，便增加了火力支援。他们搬来在长沙缴获的美制七五山炮，还出动空军支援地面进攻。守军立即召唤衡阳城区的炮兵反击。刚刚抵达衡阳的半个炮兵营，配备了六门美式七五山炮和两千发炮弹，立即投入战斗。炮兵指挥官蔡汝霖和炮兵营长张作祥指挥开炮，炮弹呼啸着越过湘江，打到东岸，在日军阵线爆炸。
中美空军的战斗机多次飞到衡阳上空，反复轰炸和扫射。在第四次长沙会战和衡阳会战中，中美空军出动了六十八架轰炸机和一百一十三架驱逐机，共出动各种飞机四千五百多架次，夺取制空权，支援步兵作战，并攻击日本的陆军和海军，击落和炸毁日军飞机一百二十架，击毁日军船只一千多艘，使日军损失惨重。
第一○九师师长容有略走出地堡，指挥反击。第五七○团团长贺光耀率领突击队反击，不幸被日军机枪子弹洞穿腹部。他捂住伤口，不让肠子流出来，让特务连长去叫副团长冯正之接替指挥，继续抵抗。但是，部队伤亡很大，一些新兵惊慌失措，加重了损失，到了下午，不得不放弃五马归槽，撤到范家坪和冯家冲一线。
日军占领五马归槽后，主力从东洋渡过江西进。守军顽强抵抗，未能阻止日军的攻势，日军完成了对衡阳城的全面合围。
26日拂晓，佐久间师团的松山支队突破守军外围阵地，抵达衡阳机场南端。这时，机场内的守备部队已经撤离，只在北端留有掩护撤退的部队。日军先头中队发起攻击，抢占了机场。守军撤退时来不及将机场完全破坏，方先觉一收到机场失守的报