日軍第11軍的傷亡與國軍第10軍的情況驚人地相似。日軍在戰後的戰史中破天荒地較接近事實地記錄了第二次總攻後日軍的傷亡情況。
「我軍再度發起總攻之後，除和上次一樣，僅奪得極少部分陣地之外，依然無所進展，而傷亡卻更慘重。兩師團之原任大隊長所剩無幾；大部分之步兵隊已變成由士官代理大隊長，勉強支撐戰鬥之殘局。第二次總攻，又有聯隊長一名、大隊長六名相繼陣亡；而攻擊之前途卻仍不樂觀。於是攻擊再度停止。」
這是一份非常難得的史料，日軍第一次坦承失敗的真實情況。總個與衡陽保衛戰有關的日軍戰史是日軍整個一號作戰時期最特殊最難得的一個部分，這在日軍歷史都是十分罕見的。戰史記錄者筆調沮喪。足見國軍第10軍英勇的戰鬥和輝煌的戰績，極大地打擊了日軍的狂妄氣焰和不可一世的心態。的確證明：日軍千里決勝的一號作戰的迷夢，差一點就在衡陽這個中華民族的文化古城的城頭破滅。
日軍一個大隊相當於國軍的一個加強營。「大隊長所剩無幾」，「且大部分的步兵大隊已變成為由士官代表大隊長」的程度。足見日軍軍官傷亡之慘重。大隊長以下還有中隊長、小隊長，這兩級軍官都傷亡完後才會有由士官代理大隊長的現象出現。由此可見，衡陽戰鬥中日軍已不是以犧牲士兵為代價，而是以整個大隊、整個聯隊、整個旅團甚至師團、軍隊的命運為代價了。要不然，何以有如此大量軍官、特別是高軍階的軍官的傷亡呢！
從軍官的傷亡可以看出士兵的傷亡，從士兵的傷亡足見戰鬥之慘烈。日軍的戰史奇怪地繞過整個衡陽之戰的傷亡總數，只是公布了自衡陽開戰以始至7月20日，即第二次總攻結束為止的傷亡情況：總計日軍傷亡人數為19286人，其中軍官為798人；傷亡總數中戰死的為3860人，軍官戰死的為264人。而到整個衡陽戰役結束，日軍卻如何也不發布其全部的傷亡情況。
但僅從日軍已經公布的傷亡人數來看，足以可以看出日軍已大大改變了其一貫的做法。對比半年多前的常德戰役，日軍公布陣亡為1503人，而公布中國遺屍3。54萬具，以這樣高於其20倍的傷亡比例，才能維持日軍的自信心和士氣與戰鬥力。維如此，方可理解7月20日公布的傷亡數字出現在日軍戰史中，正是因為衡陽戰役的空前殘酷與慘烈，迫使日軍軍史無法按其常規來記錄和公布。
上世紀80年代初，日本訪華團多次來衡陽祭奠日軍戰死人員。日本友人和田丈夫在其撰寫的《難忘的湘江之行》一書中有這樣的紀實文字：「在這場戰爭中，日本軍人大約戰死了2萬多名，受傷者將近6萬人，以京都、大阪人為中心的兩個師團幾乎遭到毀滅性的打擊。」其中還提到「中國方面傷亡士兵僅為日軍的三分之一。」書中還透露在日本國內將衡陽之戰與日軍其他兩次著名敗仗相提並論，那就是發生在同一年的印度「英帕兒」之戰與1943年太平洋戰場上的「卡達爾卡納爾群島之戰」。認為這三次失敗「都是日本陸軍高級指揮官無能和參謀們的冷酷無情大暴露的典型戰法」。
第二次總攻頓挫之後，日軍的進攻心態受到極大打擊。一號作戰所呼喚起來的強大精神動力急速衰落，士氣一時極度低落。日軍大本營極為不滿，中國派遣軍極感不安。兩天後日本國內傳來地震般的消息，東條英機內閣宣布倒台。這標誌著日本陸軍實力派組閣的失敗。
塞班島的失陷，美軍已經取得直接攻打日本本土的跳板。面對如此險峻的國內政治形勢和太平洋戰場急轉直下的戰局，日本中國派遣軍司令官畑俊六深深憂慮衡陽戰局，再如此緩慢地發展下去，恐怕國內高層會中指一號作戰。要真是那樣的話，豈不前功盡棄？為此，他一面加緊調派生力軍和軍需物資支援第11軍，一面嚴令橫山勇必須親臨衡陽前線督戰。如果第11軍近幾天內還攻不下衡陽城，橫山勇必須切腹以謝天皇！
衡陽危在旦夕。方先覺不得不連連急電各方求援。
本來早在衡陽開戰之前，擔任衡陽外圍作戰的，在湘桂鐵路方面有第62軍黃濤部，歸第27集團軍副總司令李玉堂指揮；在衡陽至寶慶（即今邵陽）公路方面有第100軍李天霞部、第74軍施中誠部，歸第24集團軍總司令王耀武指揮。以上各軍隨時準備增援第10軍，解圍衡陽。
第62軍原屬第七戰區余漢謀司令長官節制，擔任該戰區總預備隊，駐守在粵北山區翁源、英德、青塘一帶整訓待命。自1943年9月起，該軍受命準備接受美式裝備，即派副師長以上軍官赴印度蘭姆迦美軍訓練處受訓；派連長以上軍官輪流到桂林「東南幹部訓練團」美軍訓練處受訓，學習使用美軍武器和各兵種聯合作戰的指揮方法。但直到1944年5月仍不見美式裝備運到。這時長衡會戰開始，前線告急。蔣委員長電令余漢謀調第62軍迅速開赴衡陽三塘附近集結待命。