在正面战场上，安文杰亲自坐镇指挥，率101军麾下的新一师，新二师以及新八十九师，七万余英勇的华夏将士担任主攻任务。美械步兵全副武装，在轻重机枪、自动步枪的密集火力掩护下，踏着炮火余烬，顶着漫天硝烟，迅猛冲击日军北郊主阵地。
前线爆破手不畏枪林弹雨，快速抵近残存暗堡与火力点，精准爆破清除障碍，后续步兵紧随其后，逐壕、逐段清剿负隅顽抗的日寇。将士们战意滔天，配合默契，攻防衔接行云流水，短短一个时辰便彻底撕裂日军北郊核心防线，稳步向衡阳城垣推进。
东线战场，孙立人留守少量兵力继续死死牵制醴陵方向的横山勇援军，防止敌军拼死突围，主力机械化部队全速从耒阳北上，横扫衡阳东郊日军防线。装甲车、坦克列阵开路，钢铁履带无情碾压日军战壕与简易工事，步兵集群紧随其后，穿插分割敌军建制，将东郊日军切割成无数孤立小股部队。东郊守敌腹背受敌、军心崩溃，彻底丧失抵抗意志，大量残兵放弃阵地，仓皇向南逃窜，却恰好落入谢晋元新9军预设的堵截包围圈。
东南方向，早已严阵以待的新9军瞬间收拢防线，构筑起密不透风的堵截火力网，死死困住东郊溃逃的日军残部。国军将士利用田野、村落的地形优势，架设交叉火力，封锁所有开阔地与逃生通道。逃窜日军进退无路、四面受敌，要么丢弃枪械就地投降，要么负隅顽抗被尽数歼灭，广袤的田野村落之间，日军溃兵被逐一清剿，无一漏网。
西线战场，戴安澜新7军将士从衡山山地居高临下、俯冲突击，快速扫荡衡阳西郊所有山间据点，拔除日军隐蔽哨位，随后全军下山猛攻城西日军阵地，彻底锁死日军翻越西山向西逃窜的最后一条生路，让被困敌军彻底陷入绝境。
就在城外四路大军全线猛攻、压缩包围圈的白热化时刻，沉寂多日的衡阳城内十余处城门同时轰然开启。方先觉亲率第十军剩下的全体官兵，倾城杀出，内外夹击之势彻底成型。
坚守孤城四十余日的将士们，积压了无尽的血战怒火与家国愤慨，人人刺刀上膛、眼神凌厉，悍不畏死冲出城门，从内向外猛攻当面日军阵地。
昔日围困衡阳、气焰嚣张的日军，此刻被城内城外两股精锐大军死死夹在中间，首尾不能相顾，阵地被接连割裂、层层撕碎，彻底陷入被动挨打的绝境。
日军各师团指挥官眼见战局彻底崩盘，大势已去，只能仓促收拢残兵败卒，依托城郊村落、残破民房、断壁残垣分段顽抗，企图借助街巷复杂地形拖延时间，伺机寻找缺口突围。
但第五十一集团军各部皆是久经沙场、擅长围歼巷战的精锐部队，战术配合极为娴熟。全军以营、连为最小作战单位，分片包干、逐区清剿，大部队稳步压缩外围包围圈，断绝敌军外援退路，小股精锐突击队穿插街巷、渗透密林，精准拔除日军零星据点、清缴暗藏残敌。日军最后的顽抗阵地被一个个攻破，残存兵力被一点点蚕食，再也无力组织有效反击。
激战至午后时分，阳光穿透漫天硝烟，洒满衡阳大地。日军围城主力所有建制彻底溃散，四万余主力被分割包围在衡阳城郊各个村落与街巷之中。
大批疲惫不堪、弹尽粮绝的日军士兵彻底放弃抵抗，纷纷放下武器缴械投降；仅有少量顽固死硬分子，裹挟重伤兵员、胁迫无辜百姓躲入城郊深山密林负隅顽抗，随即被国军搜山部队精准锁定、尽数清剿，彻底肃清所有顽抗势力。
湘东醴陵前线的横山勇，接连收到衡阳主力溃败、全线失守的紧急战报，彻底心知大势已去。他深知衡阳主力覆灭，自己麾下三万孤军已成孤军，若继续滞留醴陵前线，必将被孙立人主力掉头合围、全军覆灭。惊恐之下，横山勇连夜收拢残部，放弃所有攻坚阵地，率残兵狼狈后撤，仓皇逃回武汉防线，不敢再越雷池一步。
落日余晖洒落衡阳城郊，残霞映红漫天硝烟。随着101军新一师炮火摧毁日军最后一处顽抗据点，衡阳全境战火彻底平息。方先觉率领第十军各级将官，步履坚定走出城门，与入城会师的王元奎、安文杰等将领在城郊战地顺利会师。历经四十余日血火坚守的衡阳孤城，终于在第五十一集团军的驰援配合下，完整收复、重归国土。
战后全军细致清点战果，这场震惊湘南的衡阳合围大捷战果辉煌、战绩斐然。国军各部协同作战，加上之前第10军在衡阳保卫战中消灭的日军部队，合计歼灭日军八万一千余人，俘虏日伪军一万三千余人，缴获各类轻重火炮五十六门、轻重枪械六万余支，缴获弹药、军需物资无数。
此役彻底全歼横山勇投入湘南战场的围城精锐重兵，一举粉碎日军一号作战计划中抢占衡阳、打通粤汉铁路南段、贯通中南战场的核心战略图谋，彻底扭转湘南战局。
大捷战报火速传回重庆，军委会即刻下发嘉奖电令，通令全军褒奖第五十一集团军与死守孤城、浴血拼杀的第十军，大批粮食、弹药、被服、医疗补给物资星夜南下，源源不断补充前线各部，犒赏有功将士、抚恤伤亡官兵。
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