在进攻武阳的同时，68师团余下所有主力包括师团的坦克部队在内，全力进攻战役关键重镇武冈县城。
     武冈县城在姿水岸边，早在西汉文景年间正式置县，至今已有2200多年历史。武冈县城三面环山，东与邵阳，西与绥宁，南与新宁、城步，北与洞口毗邻，地理位置极为重要，素为湘西南军事重镇和文化中心。武冈是整个初期战役的核心，由最有战斗力的抗日铁军74军的58师172团一营士兵驻守，营长葛道。
     武冈县城由于历史原因，有完整的城墙和宽阔的护城河，74军有在城墙附近修建了很多的工事和三道城外防线，可谓铜墙铁壁。
    


不过，由于能否夺取武冈直接决定日军湘西会战的胜负。日军68师团这早已经接到了坂本司令不成功则成仁的死命令，同时日军配有重炮和坦克部队，攻击力也很强。在得知中国守军只有营时，关根认为一天就可以攻下武冈。其中日军117大队队长永里是个络腮胡子，面目狰狞，不可一世。攻城前他骄横地宣称：“几小时就可攻下武冈，到时候在武冈城里刮脸！”后来，日军全线奔逃，永里还是满脸大胡子，成为国军的笑柄！
     74军在战前紧急加固工事，用老百姓提供的糯米配合三合土在城外建立以一道核心防线，该防线由于使用糯米坚硬无比，连大炮轰上去也只是一个小的缺口。（湘西地区一向贫穷，老百姓一年到头经常连饭也吃不饱，每家的少量糯米都是过年用的。）
     4月27日开始，日军在坦克和近百门火炮的配合下从三面发起强攻，58师针锋相对。一连三天日军除了丢下大量的尸体以外，只突破了城外的简易二道防线。国军最后一道防线和武冈城墙都是极为坚固，日军炮火根本无法将其摧毁，同时58师防御火力极为顽强，日军伤亡很重。坂本司令得知消息以后，怒斥关根旅团长无能之极，十倍兵力还有坦克重炮居然攻不下一个武冈。喝令二日之内必须攻下武冈，不然从旅团长开始全部军法从事！


到了这种地步，关根只得拼了命。他决定组织敢死队，每个队员身背一个炸药包（重数十斤），手持一把三八大概。必须靠近城墙后拉动炸药包炸毁城墙。当时日军已经没有什么人自愿前往，最终靠抽签决定了150人。
   

     日军也深知这点，随即排出主力和国军在二地激战。
     5月10日，18军第11师32团进攻山门(山门是日军右侧交通隘道。4月21日日军133联队数千兵力猛陷山门。)，攻势凶猛，山门日军声嘶力竭的向116师团总部求援,但是日军增援部队全被32团击退，5月13日32团收复山门,缴获大洋马300多匹，歼敌千余人。
     74军则困难一些，由于洞口方面是116师团的主力所在，5月12日74军暂6师才攻陷洞口外围全部阵地。此时王耀武作出了错误的判断，他决定让军队修整一天，准备向日军发动总攻。
     这是本次会战最大的失误，此时116师团已经接到全军立即撤退的命令。于是于5月12日下令全军经洞口后撤，此时18军攻陷山门以后，已经通过战俘得知日军可能近日总撤退，但是由于对此情报不敢肯定，也没有告知74军。
     5月13日74军修整完毕以后，队洞口发动强攻，暂6师仅仅用了5个小时就收复洞口。不过此时已经来不及了，暂6师士兵亲眼目睹116师团如泰山崩塌一样向东方退去（又二个步兵联队，三个工兵联队，还有二个炮兵联队和一个骑兵联队）。
     暂六师赵师长不顾部队疲劳，立即率部称夜追击，在途中遭遇日军殿后部队的阻挡。此时74军军长施中诚得知情况以后大为吃惊，命令所有能动的部队全部追过去。芷江机场也全面出动三十五架飞机追击轰炸，最终只全歼了日军殿后一个联队的一千多人，错失良机非常可惜。
大获全胜的尾声：
116师团全军溃逃的同时，国军继续打击关根支队和重广支队
关根支队
关根支队在武阳附近被全歼，其旅团长带领全部军官和少量士兵逃出，在5月20日于34师团会合。
34师团分出自己一部分兵力帮助其重建了二个大队（不过有大半伤兵），并且接受了并没有参战的原属关根支队的217联队，初步恢复了一定的实力。
根据上级命令，关根支队残部和34师团应该立即撤退。
但是后退的路上有一个很大的障碍，就是初期没有攻陷的芙蓉山。
芙蓉山地理位置非常重要，为保证116师团残部成功突围，上级命令关根支队排出自己建制完整的的217联队夺取芙蓉山。
他们认为芙蓉山已经被孤立在后方一个月之久，补给断绝，战斗力应该大减。再加上不过一个营的兵力，217联队兵力是其数倍，打下芙蓉山还是有把握了
关根支队在第34师团的掩护下，22日经桃花坪向西南撤退，6月1日夜渡过资水在九公桥附近集结。
217联队在20日得到溃逃来的116师团120联队和133联队残部2000多人的支援。
21日拂晓217联队出动1000余人开始进攻芙蓉山的狮子山高地，在重炮的掩护下日军一个大队首先渡江，防守狮子山的9连凭借优势地形反击，中国空军10架飞机也向江中日军扫射。日军白天强攻一天，居然没有一人渡过江，一个大队伤亡惨重。
到了夜晚，日军日军趁着夜色以全部主力进攻，终于渡过江，并且开始攻击狮子山阵地。此时国军狮子山工事几乎被日军炮火全部摧毁，守军抵抗几小时以后退守芙蓉山主阵地。
22日凌晨，日军连夜将炮兵部队移到狮子山，其中除了12门迫击炮以外还有4门步兵炮和4门山炮。火炮刚刚准备完以后，日军随即猛烈轰击，很快发射炮弹2000余发，将芙蓉山工事摧毁过半，并且在雷区开辟出一条道路。日军以一个大队兵力冲击芙蓉山碉堡，守军奋力抵抗。双方展开白刃战，反复冲杀10次，日军最终没有成功。
22日，夜晚，日军集中217联队余下1000人，从三面攻击芙蓉山阵地，此时国军守军仅有二个连200人，他们凭借阵前的30米宽的雷区和2道铁丝网抵抗，日军以人海战术冲锋。国军弹药不足，只得在日军靠近时候投掷手榴弹，之后以白刃战克敌，日军连续冲锋6次全部失败。到了夜晚，负责指挥的一连韩连长被一发炮弹集中阵亡，士兵伤亡了过半，余下只有100人。


日军趁夜攻陷了芙蓉山大半阵地，似乎胜利在望了。
此时（第二天8时），追击的74军暂六师一部轻装赶到，向日军发动进攻。一举攻陷日军在芙蓉山占据的三个高低，日军第一大队被击溃以后，不顾同胞死后自己向后方溃退。日军第二大队残部300余人被国军包围，双方激战二小时，日军死亡83人，其余从小路溃逃。暂六师一部紧追不舍。此时第二大队已经到了辰水边上，准备渡河逃往，暂六师随即追到。河边的第二大队士兵只得跳水逃生，被淹死和在水中击毙的就有百人，只有数十人逃走。
不过116师团已经连夜走山路逃走，暂六师还是慢了一步。
至此，历时3昼夜的芙蓉山战役以日军的败退宣告结束，仅日方公布217联队即当场战死军官17名，士兵300余人；而重建的115大队几乎再次被歼，117大队残部也有大量死亡。国军军夺获轻机枪1挺、迫击炮座板2个、步枪7支及其他战利品多件。战后，重庆报纸赞誉固守芙蓉山的该营，可与上海四行仓库的“八百壮士”齐名，分列抗战一前一后，相得益彰，弥足称颂。为表彰其功，战后颁发营长孙廷简二等勋章一枚。
重广支队
早在5月6日，二十军总部就命令47师团应该准备发动进攻，接应被围困的116师团。
47师团接到命令以后，立即在阵地最前方组织了一支1000多人的突击队，准备发动进攻。可惜令47师团羞愧的是，这支部队还没有来得及进攻，就遇到了进攻的国军73军18师，突击队二天内遭遇重创，失去进攻能力。
二十军方面非常愤怒，命令47师团全体进攻前进。47师团奉命前进还没有10公里，就被73军挡住无法前进。二十军发来电报怒斥，47师团长只得谎报军情，说自己主力120和133联队已经被国军包围，来避免深入国军腹地营救116师团。
5月11日，73军韩军长命令15师和77师正面进攻，18师迂回到敌人后方。结果47师团立即后撤，只有最前方的重广支队没有来得及撤退被国军围困住。
国军5月12日以团为单位轮番进攻重光支队，重光支队长带领部队拼死向后突围，试图和47师团主力会合。可惜此时47师团并不顾同胞死后，不但没有前进和重广支队靠拢，反而加速后撤。
5月13日，芷江方面出动P51野马对被包围的日军进攻轰炸，同时国军各部发动猛攻。重广支队全面溃散，各部分头逃窜。余下的被中美空军打的没地方逃，只得跪在地上向机翼上有青天白日徽章的挥动白旗以求保命。
最终重广支队全军覆没，只有少量残兵和47师团回合。国军在打扫战场的时候发现了重广支队长的尸体被随意丢弃在阵地上 。日军信仰神道教，神道教认为如果死者尸体不能回到日本，就永远是孤魂野鬼。所以日本阵亡士兵尸体全部火化后送回国内，至于日军高级军官的尸体必须妥善保管，送回国内厚葬。重广支队其实还有一二百残兵突围，但是他们居然丢下指挥官尸体，只顾自己的逃走，可见其溃败之惨状！
6月1日，47师团余部全线后撤。
73军韩军长战后被颁发四等宝鼎勋章。
至此，日军各部全线退回湘西会战之前地域，长达55个昼夜的湘西会战到此结束！正如何应钦总司令战前判断的那样，敌人在整个芷江会战中连芷江城也没有碰到！


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