横山勇感觉战役进行到现在非常棘手，兵力严重不足，他向中国派遣军、华北派遣军申请援手，填补第64师团南下后遗留的空档，华北派遣军自顾不暇，烟俊六派了驻扎在安庆的第131师团第95旅团前往湖北接防。也就到此为止了。日本大本营非常不满第11军的进攻进度，不断催促横山勇加大南下攻击力度。
第64师团赶到了长沙接防，第58师团沿粤汉铁路线南下。第68师团第116团此时已攻破新3军，暂2军在禄水南岸的阻击阵地。新3军、暂2军退往粟山坝、淦田一线组织抵抗。得到第58师团援助的日军继续向南猛攻，国军在粟坝、淦田抵抗了3天，逐步向朱亭、严湖、螺丝塘一线撤退。独立混成第17旅团没有参与战斗，而是留下来防守粤汉铁路沿线占领的据点。第4军及第96师南下湘潭，第58师归建第74军转移至白果。
日军第58、68、116师团继续南下攻击，经多日激战攻破国军防线，新3军、暂2军退往涞水以南，沿涞水南岸布防，新3军从攸县撤回的一个师已到达衡山布防。这是新3军、暂2军最后一道防线了，再往南就是第10军防区。由于这两个军层层阻击，日军抵达洣水已是7月上旬了，防守衡阳的第10军有了充分的时间构筑防卫工事。
第10军军长方先觉向第9战区司令长官薛岳申请，洣水南岸防线的新2军2个师和暂2军，在阻击完日军后退回衡阳协助第10军防守衡阳城，薛岳鉴于第10军整补还未全部完成，兵力也才余人，于是同意了方先觉的建议。薛岳安排新3军1个师守衡山，另二个师与暂2军一起防守湘江以东衡阳的防卫，那里有美军空军基地，是美军在中国东南地区最重要的航基基地之一。
右翼日军攻占官田、攸县，安仁，国军集结在荼陵一带，中日两军呈对峙状态。日军第27师团意图占领莲花，被新6军、第58军击退。日军第3师团一部南下侵入耒阳肥江口，与第62军第44师王景星部在灯盏窝、肥江口激战，两军在此反复争夺。
中路日军分兵二路，一路第116师团两个联队攻击了湘江西岸的衡山，另一路日军主力强渡洣水，攻击南岸国军阵地。洣水上的桥梁全部被炸毁，7月间洣水正是汛期，日本鬼子小矮个无法徒步涉水过河。日军只能搜集北岸船只强渡，国军在既设阵地严阵以待。日军强渡涞水三次均没有取得成功，还遭到衡阳机场美军航空队的轰炸，损伤了千余人以上。
日军不得不改变策略，第68师团第57旅团第61、62步兵大队从洣水上游甘溪偷渡，钻进了戴海欧新2军布署的口袋阵全军覆没。虽然消灭了日军两个大队，但戴海欧并没有放松下来，他得到消息，日军第3师团放弃了进攻耒阳，其第5联队已逼近草市，沿洣水西进，第6联队逼近东郊、冠市一带，直接威胁到泉
溪，第3师团这是要切断新3军、暂2军的后路。戴海欧立即抽调了吴集以西新2军两个团南下增援洪山庙、泉港。同时协调暂2军两个团前往吴集以西填补缺口，他意识到洣水阻击顶不了多久了，于是开始安排洣水南岸部队交替撤退。
第10军第190师568团1营在洪山庙与第3师团第6联队发生激战，1营咬牙坚持。在付出巨大牺牲后，终于等来了新2军两个团的支援，堪堪稳住了阵地。阻止了第3师团第6联队进攻势头，紧接着吴集以西也国军与第3师团第5联队交上了火，洣水以北日军也趁势再一次强渡洣水。新2军、暂2军有被包围的风险，戴海欧只能命令部队撤退。在第10军耒水以北部队的接应下，新2军、暂2军撤退到耒水以南，衡阳以东。从株州到衡阳二十多天的阻击，新2军、暂2军损失也不小，人员损失超过了两成，但好在建制都还算完整。
第9战区薛岳命令茶陵集结的国军向官田、攸县、安仁的日军发起了进攻，由于第3师团大部主力被调，这一线仅靠第27师团支撑，官田、攸县很快被国军夺回，安仁也岌岌可危。第3师团不得不调回第5、6联队，稳定安仁，继而试图重新夺回攸县、官田。
第116师团进攻衡山的两个联队也遭到了失败，虽然他们成功偷渡过了湘江，遭到了防守衡山的新2军1个师和第10军预10师28团顽强抵抗。第116师一时无法攻破国军防线，战场形势僵持起来。白果第74军施少先紧急派第58师赶到衡山支援，第116师团见势不妙、无奈放弃衡山退回湘江东岸，日军在湘江西岸终究还是没有站住脚。
日军第58师团、第68师团、第116师团抵近耒水，耒水以北国军除了在东家湾、泉溪保留了部队防守，其余部队都收缩回了耒水以南。薛岳协调第10军方先觉重新调整了衡阳以东的部署，新2军、暂2军来到衡阳后，防守衡阳的兵力、火力都大为增强，衡阳以东防卫主要依托耒水，南线的防御推进到龙头岭、老山各塘、东阳渡一线。
薛岳盯着地图，脸上露出了微笑。国军衡阳战役部署基本完成，第10军、新2军、暂2军守衡阳，兵力达到5万余人，第62军在衡阳以南祈阳、常宁一带，第79军在衡阳以西永丰、演陂桥一带，第74军、第100军在衡阳以北湘乡、白果、南岳、衡山一带，新6军、第58军、第37军、第26军等部队在衡阳以西茶陵、官田、攸县一带。第5军、第73军、第99军在湘江以西，洞庭湖以南。还有在路上的第8军准备加强西线，第71军加强南线。
薛岳还是一如既往对他的天炉战法有信心。虽然战法是老办法，但只要有用，它就是好办法。长沙作为炉底被日军击穿了，衡阳成为了天炉战法新炉底。