衡阳守军的手榴弹战使日军官兵感到心惊胆寒。

　　至7月下旬，日军对衡阳的第二次进攻遭到挫败。

　　坐镇汉口的畑俊六因久攻衡阳不下，对横山勇严加训斥，责令其迅速攻下衡阳。7月底，横山勇从长沙方面调来的第五十八师团一部及重炮部队到达衡阳，第四十、第十三师团一部也投入攻击。

　　横山勇这一次是孤注一掷。他明白，这一次如果还攻不下衡阳城他将面临着什么。

　　日军在8月3日开始了第三次进攻。从午夜开始，日军3个轰炸机战队，对衡阳市区、西南两面高地施行地毯式轰炸，轰炸一直持续到翌日拂晓。飞机轰炸刚停，日军炮群又万炮齐鸣，猛轰衡阳城。日军各路同时发起猛烈进攻。

　　中国守军依然顽强抵抗。至8月6日，日军攻占了衡阳外围阵地，取得了立足点，但日军几天来的损失极其惨重。

　　8月7日，横山勇决意死战，令所属炮兵部队的所有野战重炮、加农炮、榴弹炮将全部弹药轰尽，空军全力协助，步兵随即全线压上。

　　日军突入城内，守军展开激烈巷战，8日中午，日军占领了全部衡阳市街。第十军军长在8月6日致蒋介石电报中表示“职等誓以一死报党国，勉尽军人天职”。蒋介石复电勉其“不成功便成仁”，并告知他三度为第十军将士向上帝祷告。

　　衡阳于8日终于失陷。方先觉违背誓言率部向日军无条件投降。

　　持续47天的衡阳保卫战，中方第十军共伤亡15000余人，其中阵亡7600余人，残存伤病员2600余人，被俘后为日寇惨杀者甚多。日军自称伤亡19380人，其中高中级将领战死390人，负伤520人。

　　第十军军长方先觉在率部激战后失节投降，是一件很不光彩的事情，理应受到谴责及追究。然而，当方先觉在军统的营救下潜回重庆时，蒋介石为了粉饰一败涂地的战局，为了在众多的逃兵叛将中树立勇将形象，重振士气，竟然不惜颠倒黑白地把降将方先觉吹为英雄。

　　衡阳失守使整个战局发生了变化。中国军队已经集结的部队来不及应变，整个战事陷入混乱局面。日军则乘胜南进，并改调华北方面军冈村宁次大将继任第六方面军司令官，指挥日军沿湘桂路向广西进击。

　　战火燃近广西，桂柳会战开始。

　　9月14日，日军在未遇到中国军队有效抵抗的情况下仅用半个月时间即攻占了广西重镇全州。

　　与此同时，广东和雷州半岛的日军也分别向西向北进攻，包围了桂林。桂林是广西重要交通枢纽与战略要地。但是，防守桂林的各部队却先期纷纷撤走，只剩下战斗力较差的一些部队。此时，桂林城内聚集了50至60万难民，疏散十分困难。日军未到，城内已陷入一片混乱。

　　10月27日，日军对桂林发起总攻。30日，先是日军便衣队出现于桂林以北地区，随后千余日军对桂林火车站发动了进攻。自11月2日起，桂林城四郊均遭袭击，中国守军对进攻之敌进行了英勇抵抗。

　　6至7日，日军以2000余人猛攻桂林四郊。在毒气的配合进攻下，七星岩等各处告失。岩洞据点遭到日军火焰喷射器的攻击，中国守军阵地渐渐缩小，兵员也伤亡过重。8日，日军向伏波山高地进攻，在付出惨重代价后占领了山顶，大队日军夜间渡过了桂江。

　　11月11日，古城桂林沦陷。同日，柳州沦陷。

　　日军又进攻南宁，中国军队整营整团的部队在溃逃中纷纷丢弃各类物资，混同于大批难民盲目退却。

　　24日，日军占领了南宁机场及南宁城。几乎没费什么枪弹而长驱直入。

　　28日，在越南的日军也乘中国军队溃败之机，分兵北上，进入中国境内，一路告捷，主力直奔南宁。

　　12月10日，由越南北上的日军，同南宁南下的日军会师。这样，日军“一号作战”计划得到完成，大陆交通线被打通。中国军队的“豫湘桂战役”以惨败而告结束。

　　与此同时，日军深入贵州腹地，直接威胁到重庆的安全。当时中国军队精锐之师远在滇西缅北，近旁除了溃军已无可用之兵，蒋介石惊呼：“战况危急，不仅西南各省人心动摇，而英美亦有要求撤侨之事，愈造成社会之惶惑不安，八年抗战之险恶未有如今日之甚者也。”

　　美军出动飞机空运中国军队，帮助保卫黔川，各地中国军队纷纷开拔赴贵阳以南救援。12月4日，日军在对独山、六寨等地进行彻底破坏之后，开始后撤。濒危战局，趋予缓解，重庆政府松了一口气。

　　接着，趁日军撤退之机，何应钦与汤恩伯等人齐集贵阳，指挥各部跟进收复失地，12月中旬收复南丹，沿河池一线与日军对峙。

　　至此，“桂柳会战”亦告结束。

　　豫桂湘战役，共打了8个月，中国损失兵员60万余，河南、湖南、广西、广东、福建的大部分和贵州的一部分沦于敌手，丧失了100多万平方公里的国土，几千万人民的生命财产受损。日军占据了146座大小城市及4个省会。尤其严重的是：衡阳、桂林、柳州、南宁等7个空军基地和36个飞机场，都被日军占领，中国军队的主动权被大大削弱。这是日本帝国主义向中华民族欠下的又一笔血债。

　　日军虽然打通了大陆交通线，但始终未能全线通车；相反，为了保护这条交通线，日军耗散了大量兵力。可以说，“一号作战”计划的实施加速了日本侵略者末日的来临。

　　豫湘桂战役的空前溃败，充分暴露了国民政府的政治腐败、战略错误及指挥无方。然而，蒋介石却极力掩盖，文过饰非，说战役的惨败“不足为奇”，“不能算为严重”，“战局根本绝无危险”。蒋介石甚至把战败的原因统统归罪于史迪威尔在缅北过多地动用了中国精兵，使国内战场无兵可用，和盟方对华援助太少。