出於熟悉攻擊路線和守軍戰術的考慮，橫山勇以68和116師團的3個主力聯隊為第三次攻勢的先頭部隊。
日軍黑瀨133聯隊、兒玉120聯隊與針谷逸郎218聯隊，兵力僅剩下原編製數的1\/4，而他們面前的對手也在40餘天堅守中傷亡殆盡。從第三次攻勢一開始，相互拼殺的雙方就同時可以使用「垂死掙扎」這個詞來形容了。
4日、5日兩天激戰，黑瀨聯隊3名剛剛代理大隊長的軍官全部陣亡。
聯隊攻擊的大西門陣地第3師守軍彷彿打不死、死不完似的。5日傍晚，黑瀨將剛穿了兩天的少將軍服脫下來，親手疊得整整齊齊，打在行軍背囊中。他集合起聯隊全體殘兵200餘人，自己舉著聯隊軍旗，準備進行最後一次衝鋒。
士兵們從聯隊長的表情中感覺出這次衝鋒的含義，紛紛互相託付後事。他們三五成群地圍在一起，齊聲大喊故鄉的一個村莊或一座山的名字，然後回到隊伍之中。
黑瀨平一少將親率的隊伍剛要出發時，師團司令部的一名參謀趕來了解情況，見此情景後立即打電話報告師團長岩永旺。岩永旺考慮這次攻擊行動除了表示帝國軍人的忠誠和勇氣，對摧毀守軍陣地並無多大意義。他指示黑瀨，於6日清晨在航空兵配合下發起進攻，取消了這次黑瀨在事後稱之為「悲壯的決一死戰」的進攻行動。
兒玉忠雄大佐的120聯隊在4、5兩日進攻預10師防守的天馬山與西禪寺陣地。中國官兵利用居高臨下的地勢頻頻以手榴彈大量殺傷敵人，而守軍的工事則在日軍直瞄火炮的轟擊中一處處被摧毀。5日下午，日軍湧上西禪寺陣地，兩國士兵混戰成一團，一時間血肉橫飛，天地變色。兒玉向岩永旺報告戰況時說：「西禪寺作戰中出現了現代晝間作戰中很少的悲慘壯烈的場面。」
兒玉忠雄大佐入伍前是文科大學的高材生，是侵略戰爭將這個具有詩人氣質的青年變成一名鐵血軍人。在回憶起這場作戰時他說：「從肉體上消滅敵人，這本來是達到戰爭目的的手段，為此，我方的死亡也必不可免。但是，當戰爭之輪飛快旋轉起來，死亡便成為目的，彷彿一切都只是為了讓更多的人死去。當戰爭終於顯露出它的冷酷本性時，政治家和軍事家對它無能為力。」
8月6日凌晨3時，剛剛投入衡陽作戰的58師團突破了城區西北的守軍第3師小西門陣地，並緊接著向周圍擴展。5時，鄰近小西門的體育場陣地守軍全部陣亡，日軍由這裡突入城內。守軍在早已構築好的屋頂、路口工事中進行抵抗。一支支槍口從黑暗中伸出，一顆顆手榴彈從想不到的地方飛出來爆炸。日軍不得已停在原地，待天亮後再行進展。
上午10時，橫山勇接到報告，57旅團長志摩源吉少將陣亡。
志摩源吉旅團參加過侵華戰爭的多次重要戰役，在中日兩軍中都頗有名氣。8時20分，志摩源吉親往第一線督戰，他看到部下在守軍手榴彈攻擊中傷亡慘重，指示士兵們要勇敢地撲到守軍投來的手榴彈旁，在爆炸前將手榴彈拾起扔回去。志摩源吉在攻擊分隊士兵中親自示範，連續扔回四顆將爆的手榴彈，士兵們激動地高聲歡呼起來。
就在志摩源吉起身離開時，守軍的機槍掃射過來，兩顆子彈擊中面部，這位戰功卓著的年輕將領當即氣絕。
幾天後，黑瀨平一填補了這個空缺。
8月7日，堅守衡陽的最後一天。
將一群群日軍射倒在地的，已是最後的士兵們射出的最後的子彈，而掀起一陣陣春雷般手榴彈爆炸的，則多是渾身無力的士兵們流血的身軀和傷殘的肢體最後的一搏。
凌晨3時，190師568團2營演武坪陣地被日軍突破。5連連長羅夫及全連所剩20餘人全部犧牲。
1小時後，該團3營陣地被攻破，率團作戰的副團長李適及陣地上30餘人全部犧牲。
拂曉，青山街3師陣地，7團團長鞠震環、3營營長王金鼎及所率官兵全部犧牲。
上午9時，日軍從城北、城西衝進城裡。戰區督戰官兼炮兵指揮官蔡汝霖已經不用望遠鏡就能很清楚地看到端著機槍和步槍的日軍士兵了。他知道大勢已去，下令各炮連將各種火炮全部炸毀。
這一天，預10師29團連長符氣東第二次受傷。日軍遠程炮彈片打在他頭部太陽穴處，鮮血涌流，他被士兵們抬下陣地急救。苦戰至傷，他的連隊傷亡大半，幾天之前他即被日軍擲彈筒彈片打傷臂部，他堅持帶傷指揮，直到這時。
聽說日軍從北門入城，全城5個醫院和醫療急救所中數千名重傷員悲憤欲絕。在整個抗戰期間，因為救治條件差，撫恤善後沒有保障，士兵們都有不怕死而怕傷殘的心理，守城47天，城中藥品早盡，傷員們一批批死去，堅持活下來的人千難萬難苦盼援軍入城解救。他們心中清楚，一旦城破，守軍倖存者被日軍俘虜，那些身強力壯的人一般被強迫去當苦力，或許尚有一絲生機，而傷員們則斷無活路。自7日下午，聚集在各處的傷員們不再忍痛不叫一聲苦，低沉的呻吟和哭泣傳出很遠，如湘江潛流，凄慘至極！
中午，方先覺在中央銀行地下室軍指揮部召集各師長開會。
3師師長周慶祥、190師師長容有略、預10師師長葛先才、暫54師師長饒少偉、戰區督戰官蔡汝霖等人各抒己見，但都是有心殺賊，無力回天。
突圍？城中數千傷員，城外四面日軍，如何走得脫？
再戰？彈已盡，人將絕。剩下的士兵有氣無力，就是拼刺刀也只有挨刺的份了。
軍長方先覺，這位人高馬大的漢子，身經百戰的將軍，此時伏在桌上哭泣起來。眾將領黯然無語。
炮彈的落點朝軍指揮部逐漸推近。方先覺鎮靜下來，擦去眼淚，對眾位將軍說：「第10軍血也流了，苦也吃了，如今大勢已去，但我們做人做事還是要講個有始有終。」
由他口授，參謀長孫鳴玉記錄，向蔣介石發出了最後一封電報：
敵人今晨由北城突入以後，即在城內展開巷戰，我官兵傷亡殆盡，刻再已無兵可資堵擊，職等誓以一死報效黨國，勉盡軍人天職，決不負鈞座平生作育之至意。此電恐為最後一電，來生再見。
電報署上方先覺、周慶祥、容有略、葛先才、饒少偉和孫鳴玉的名字。各位將領傳看一遍後，由參謀處長饒亞伯親自送往隔壁電台室，目睹機要員譯為密碼、發報員拍發出去。
電報發出後，方先覺指示：銷毀密碼本，炸毀電台。
當那部晝夜不停地工作了47天的電台在一顆炸藥炸毀的巨響中化為碎片的同時，兩名發報員之一、20歲的常州青年柳鳳來昏倒在地，一口鮮血從他口中流淌出來。饒亞伯踢了他兩腳，不見醒來，對孫鳴玉說：「這是累的。」
而由柳鳳來拍發的那份電報，卻已飛越千山萬水，飛向歷史深處。
蔣介石在1944年8月7日即當天的日記中寫道：「悲痛之切，實為前所未有也。」
8月10日，蔣介石發布近千字通電，命令全國軍隊於8月20日上午6時各在駐地為衡陽殉國守軍默哀3分鐘。電文中說：
……覽電（即「最後一電」——筆者注）肅然，至深悲痛，其慷慨就義，視死如歸，可謂壯烈極矣！現方軍長本人雖生死未卜，而其生平不屈之志，實為全國同胞所深信。我第10軍全體官兵對於此役，不僅發揮我革命軍人以一當十、以百當千的精神，亦且實踐作戰至最後一兵、最後一彈之訓條，洵無愧於為我總理之三民主義之信徒，與革命軍人以身殉國之楷模，足重我民族存仁取義，千秋萬世之光輝。……我全國官兵應以第10軍此次在衡陽壯烈犧牲為模範，共誓必死之決心，益勵奮鬥之精神，同仇敵愾，為已死同胞復仇，為國家民族雪恥，有我無敵，前仆後繼，以達成神聖之天職，而爭取抗戰最後之勝利！
衡陽守城，兵敗城破，但它對全國人民心中掀起的波瀾並不亞於一次勝利。輿論再次掀起「衡陽熱」、「第10軍熱」、「方先覺熱」，全國軍隊普遍開展了以第10軍為楷模、誓死殺敵的活動。一種悲憤之情在中國大地瀰漫。
如果歷史的腳步戛然停止在這一刻，那該有多好！
但是，沒有。