0团是个完整的团，其余各部均仅有干部;第3师有1个团尚在衡山附近。另外还配属有暂54师(欠2个团)及48师的战防炮营、第46军的1个山炮连和第74军的野炮营。此时在衡阳的防御部署是:第3师防守衡阳西北部，预10师防守衡阳西郊，第190师防守衡阳南郊，暂54师防守衡阳北郊。
6月27日夜，日军完成了攻城的准备 。6月28日拂晓，日军发起总攻。守军各部队在炮火支援下坚守阵地，并不时予以反击。激战终日，日军毫无进展。第68师团师团长佐久间为人及其参谋长原田贞三郎等被炮击负重伤，由第116师团师团长岩永汪统一指挥两师团。
29日日军仍毫无进展。岩永汪将衡阳以西四塘附近担任侧背警戒的第133联队投入战斗，与炮兵第122联队协同，企图于7月1日进攻城西坚固据点张家山。激战至7月2日，除主攻方向上经多次反复争夺的张家山被日军第133联队攻占外，其他方面的守军均击退日军的多次进攻，守住了阵地。由于守军的抗击，日军连续猛攻5日，损耗了大量人员和弹药，仅推进了1000米。
第11军为补充弹药和休整战力，决定于7月2日夜暂停进攻，预定7月11日再重新发起进攻。守军为增强防守力量，乘日军暂停攻击之机，调第3师留置衡山附近的第8团归建。该团于5日8时许从何家塘、望家坳间突破日军包围圈，冲入城中。
由于日军主攻方向始终保持于城西南郊，守军为加强该方面的防守、彻底形成重点，重新调整了部署:令第3师(欠第7团)南移占领天马山、岳屏山、接龙山、五桂岭高地，建立第二线阵地;第3师
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