西元1944年，日军为了逆转太平洋战场上急遽失利的战况导致的补给线重创，日本大本营参谋总长杉山元大将上奏日本天皇，提出了「打通大陆作战」的设想，并得到了天皇裁可。后来日大本营遂将此作战命名为「一号作战」，其重要性可想而知。「一号作战」的主要内容是先攻占平汉铁路之南段，进而打通湘桂铁路及粤汉铁路两线，摧毁中美空军基地，防止中美混合空军对日军中国战线后方与沿海补给线的打击。日军称这次作战「确系太平洋战争爆发后规模最大的一次一连串的大军作战。」
衡阳是连接东南和西南的战略要地，包括航空、水运、铁路、公路，战略等价值。

中国方面守军。第10军号称3个师，但因在常德会战损失惨重，未整补完成实际只有一个半的师兵力，，预备第10师葛先才（守城主力），第3师周庆祥（仅一团，守备西郊及北门），第54师饶少伟（仅一个营兵力，守备湘江东岸机场），190师容有略（守备亘草河之线）

伤亡人数。日军在衡阳之战中使用了毒气。据美军十四航空队化学战情报官汤姆生上尉的研判，日军所使用的是芥子气与路易氏剂混合物。
国军：第十军方先觉总数约-九个团-17,600余人，其中伤亡15,000余人，阵亡约5,600人，被俘约4,600人
日军：第11军横山勇总数约-五个师团-近14万余人，伤亡约25,300余人（日军陆军部官方数字：19,186），其中高阶将领战死390名，负伤520人
中国平民：3174人

战役过程。

6月20日，日军下达进攻衡阳的作战部署。同日，中华民国国民政府军事委员会电令：「一、国军以确保衡阳之目的，阻敌深入，以一部於渌口、衡山之间地区行持久抵抗，主力由醴陵、浏阳向西，由宁乡、益阳向东，夹击深入之敌，而击破之。」。

6月22日，日军飞机首度轰炸衡阳城，湘江两岸市区均引起大火。
6月22日，晚8时，由株洲、渌口沿湘江东岸南下的日军第68师团，进抵衡阳市东郊泉溪，第10军190师568团第1营派在耒水东岸的少数警戒部队即与日军交火，衡阳抗日保卫战就此打开。
6月23日，日军第68师团欲强渡耒水，被守军击退。
6月25日，夜，日军攻占五马归槽和飞机场，守军596团反攻，夺回机场。次日，机场失守。
6月26日，日军占领衡阳城东湘江东岸的机场，并迂回至衡阳之南，截断衡阳守军的退路，从衡阳之西、西南形成了对衡阳的包围。

日军第一次总攻击（6月27日至7月2日）
6月27日，渡过湘江的日军猛攻，进抵欧家町、黄茶岭，向停兵山、高岭、江西会馆主阵地猛攻。
6月28日，日军力图合围衡阳，发起了第一次总攻击。城南作为正面战场，战斗最为猛烈，双方争夺张家山高地数日反复达20多次，阵地依然在国军控制中。停兵山、高岭据点守军全部牺牲，无一生还，日军被歼亦不下千人。
7月2日，日军暂停进攻。

日军第二次总攻击（7月11日至7月16日）
7月11日，晨，日军发起第二次总攻击，向衡阳城垣倾泻大量炸弹、燃烧弹和毒气弹。日军付出极大的代价，也无法接近守军的核心阵地。
7月12日，日军攻占虎形巢。
7月15日，守军退西禅寺、张飞山，改守第二线。日军攻击重点从衡阳西南转向城之外廓。
7月16日，市民医院南端高地失陷。日军攻击转向西北郊。第二次总攻失败，日军战史：「我军再度发起总攻击，与上次一样，仅夺取极小部份阵地外无所进展，损失却更惨重，大部份步兵连已由士官代理连长，战况并不乐观，於是攻击再度停止。」
7月17日，日军对衡阳城猛烈轰炸，逐次夺取城郊据点，压缩包围圈。

7月19日，日军再次停止进攻。
7月21日，日军佯装退兵，引诱守军出击，又空投“归来证”，向第10军诱降。

7月27日、8月2日，中国空军两次向衡阳城内投下蒋介石的手令，要求方先觉军坚守衡阳城待援。7月27日，蒋中正令方先觉：「守城官兵艰苦与犠牲情形，余已深知，此时只有督率所部，决心死守，以待外援之接应，。。非万不得已，不必发电详报，以免被敌军偷译[3]。」8月2日，蒋中正令方先觉：「此次衡阳之得失，实为国家存亡所关，决非普通之成败可比。……第二次各路增援部队，今晨皆已如期到达……。」
8月3日，日军对衡阳大肆轰炸

日军第三次总攻击（8月4日起）
8月4日，日军第11军横山司令官聚集第40、58、68、116师团及13师团一部、57旅团，发动第三次总攻。以飞机大炮向核心阵地和市区狂轰滥炸，4个半师团的日军从南北西三面猛攻核心阵地。
8月7日，敌机和炮兵继续进行轰炸、扫射和施放毒气，步兵则趁机楔入。
8月8日，衡阳陷落。日军第11军以竹内参谋为代表入城谈判，双方同意停战，日方并承诺保全守军官兵安全。

血战间日军的兵力前后补充了三次。在城郊的阵地争夺战中，日军付出了损失两万多人的代价，而中国守军至最终只损失了不到一万人，这种战损比在当时日军中是不可接受的。包括了日军第68师团长佐久间中将、参谋长原田贞大佐残废，和第57旅团长志摩源吉少将阵亡才得以近逼市区。血战期间在日本国内更因各地的战况不利，导致东条英机的军人政府因而倒台。

衡阳战役的历史意义在于延缓了日军“打通大陆交通线”战役的步伐进程，加剧了日本内阁的危机，并最终导致了东条内阁的垮台。