這時，蔣公只有親自介入，指揮第六十二軍、第七十九軍與第九十九軍，參與衡陽解圍作戰，但是由於作戰密碼完全被日軍解破，讓橫山勇中將能夠充分掌握到中國軍隊的作戰動態，進行各種有效的攔截，並在在衡陽外圍設下多面埋伏，造成中國軍隊更大的作戰傷亡。
中國援軍的兵力與火力仍有限，始終無法突破日軍層層的包圍圈。此時第十軍全靠一些美軍的空投物資，繼續進行防守作戰。但是由於史迪威希望中國軍隊作戰失敗，所以對於陳納德的空軍支持作戰，總是設法加以制肘。
中國軍隊前往援救衡陽的部隊，在七月底時，曾經一度前進到與守軍只相差幾公里左右的距離，但是最終還是被日軍靈活的截擊壓退，沒有達成救援第十軍的任務。
這時方先覺將軍的部隊，已經是傷亡過半，不但是彈盡援絕，連吃飯的補給都成了問題。但日軍在衡陽的作戰，也遭到極其嚴重的損失，迫使橫山勇中將一度也在考慮，是否值得在此繼續打下去
。因爲即使日軍的作戰力量，也已經到了極限。
但是這場作戰的勝負，已經成爲中日兩國軍力對抗的榮譽之爭了，說什麼橫山勇中將也不能放棄，何況關東軍的戰將阪西一郎大將，已經到達湖南，準備接掌長沙的指揮權，假如自己不力拼下去，最後的結果恐怕不妙，連職務都會有變數。
最後橫山勇中將決定，將日本十一軍的全部軍力當賭注，完全都押在衡陽，再增調第十三、第五十八師團，參加衡陽決戰。他並且不惜代價的運送威力強大的巨炮，到達衡陽陣地，準備給孤立無援的方先覺部，最後致命的一擊。
八月二日，日軍對衡陽發動最後一波的攻勢，橫山勇中將帶病親自前往衡陽前線指揮作戰，而四個參戰的日軍師團長，當然更是不敢怠慢，全都陪着橫山勇，準備拿出老命一搏，各師團紛紛組織敢死隊，對中國軍隊的陣地進行冒死攻擊。
日軍的巨炮再度轟擊中國軍隊的每一個陣地，日軍的敢死隊對中國軍隊的據點，一個接一個地展開攻擊，守軍只能做到寸土寸血的力拼。
日軍第五十七旅團長志摩源吉少將，更是由自己擔任敢死隊的隊長，親自帶兵衝鋒華軍陣地，結果戰死在衡陽。
當時有過城市作戰特別訓練的五八師團，師團長毛利末廣中將作戰負傷，卻不肯就醫，躺在擔架上親臨戰場指揮作戰，可見戰況之激烈。
此時衡陽的決戰，其慘烈程度已使陣地成爲了人間地獄，蔣公在最後時刻，仍然設法派軍隊救援第十軍，連第五軍的坦克車部隊都派到戰場。
但是此時中國戰區的中國軍隊，已經無法將士用命的拼力作戰了。因爲有了國際力量的介入與刺激，內部派系的猜疑正在死灰復燃，而更加惡化了軍隊人員不足、裝備後勤嚴重缺乏、軍心動搖、士氣低落的情況，因此無法動員軍力突破日軍層層包圍的防線。
第十軍方先覺部，在堅持血戰四十二天之後，最後在八月八日，終於失去了抵抗的能力，日軍也損失慘重，無力再進攻下去。因此雙方經過交涉之後，在日軍允許保持軍隊建制與榮譽，以及救助受傷官兵的條件下，結束了孤軍拒敵的抵抗。
中國第十軍在衡陽的保衛戰事實是以交涉以終戰而結束，而非投降日軍。但是，事後橫山勇中將卻宣佈，日軍終於攻陷衡陽，完成圍殲中國軍隊的第十軍，把原先答應第十軍的終戰禮遇，改成俘虜的對待，這是中日戰爭中，中國軍隊唯一被俘虜的師級以上單位
。但是自日皇以下的日軍高級指揮官們，對於方先覺的第十軍，作戰如此之勇猛，都表示了無限的敬意。
衡陽終於陷落，史迪威理所當然的開始進一步地向蔣公逼宮。蔣眼見自己部屬們的戰志出現動搖，並且開始私下運作而向史迪威靠攏。在強大的壓力之下，他也只有同意，向美國的要求讓步，準備交出中國戰區的作戰指揮權。
方先覺與多位高級部屬，先後從日軍手中安全逃脫，他們全都否認，曾經正式向日軍投降。日軍也拿不出正式降書的證據，當時雙方只是協議終戰而已，因此他們受到禮遇，才能順利的脫逃。
這就是日本人的心理，把自己正式的投降，硬說成終戰，而把方先覺將軍第十軍的終戰，說成投降。當時中國上下，獨立奮戰的信念已失，企圖依賴美軍直接的介入，能夠給中國的抗戰，帶來起死回生的力量。這纔是中國歷史上最大的危機時刻。
英雄是文明皇冠上的寶石。人類各個民族史詩的主角都是英雄。英雄與戰爭有着不解之緣，無論是冷兵器時代的豪傑，還是爲民族解放而獻身的烈士，無時無刻不在浸潤、激勵着人們的心靈。
檢討整個一號作戰，日軍是將最後能夠動員的所有力量，近乎孤注一擲的全都投在中國戰區裡。日本要給中國一個致命的打擊，以挽救作戰資源航線的安全，與建立起亞洲大陸的決戰腹地。
但是在中國戰區內，史迪威卻以參謀長的身份，誤導情報判斷、干擾戰區整個作戰的準備、故意延遲援助行動、不斷製造中國戰區內部的矛盾與危機、阻止空軍的全面參戰，這樣才造成日軍能夠集中運用各種的作戰優勢。
而中國僅有的一點新生作戰力量，還要全數分散到緬甸戰區作戰，當然會造成中國軍隊的慘敗結果。不過，日軍在戰場的勝利，也贏得相當辛苦與僥倖。
蔣公當時也在內外交迫，人人自危的狀況下，失去指揮全局的權威與信心。在整個衡陽會戰的過程中，蔣公不敢完全相信部屬。
這時究竟誰是史迪威的內應，誰會參加推翻重慶政府的政變，誰都沒有把握，這就造成薛嶽、白崇禧、何應欽以及蔣公自己，都涉入衡陽作戰的指揮，如此分散的指揮系統，如何能夠集中有限兵力，作出有效的運用嗎？