衡陽失守後，為防止日軍沿鐵路西進，中國軍隊在衡陽以西的洪橋一帶，構建了湘桂鐵路正面防禦線。在這一防禦線上，施中誠的第七十四軍被部署於邵陽（舊稱寶慶），所屬第五十七師在到達邵陽後，立即擇要構築工事並積極進行整補。
日軍第十一軍同樣對兵員和武器進行了大量補充，但缺額仍然很大，比如第四十師團原有十二門山炮，如今只剩下六門可用。儘管如此，橫山勇卻並沒有暫停作戰的打算。他主要是考慮到，中方增援衡陽的各部隊仍然保持著戰略進攻的態勢，實際已對日軍形成U形包圍圈。如果不及時予以殲滅，這些軍隊不僅會趁機奪回衡陽，而且還將從湘江兩岸切斷日軍的背後聯絡線。果真如此，勢必對第十一軍構成很大威脅。
橫山勇決定繼續發動洪橋會戰，以便包圍殲滅聚集在洪橋的中國軍隊。對他的想法，「中國派遣軍」一開始就表示反對，理由是衡陽之戰令第十一軍元氣大傷，各部隊的戰鬥力尚未完全恢複，不宜連續作戰，而且在後勤部隊推進不理想的情況下，前線補給也難以跟上。
日軍在長衡會戰乃至整個「一號作戰」中面臨的最大困難之一，就是補給線漫長，必須時時加以鞏固。中國軍隊也發現，日軍前線部隊每向前推進約一百公里，就必須停留幾天，以等待後勤部隊送來補給。
「中國派遣軍」的顧慮不是沒有道理，但是和常德會戰時一樣，橫山勇及其幕僚對上司的指示做了選擇性忽視。8月29日，在完成對部隊的調整、補充和休整之後，日軍第十一軍下達了進攻洪橋的命令。
當天，日軍第十一軍給「中國派遣軍」總部發去一封電報，先斬後奏地報告了洪橋會戰的部署情況，並聲明他們還將突破洪橋這一作戰區域，正式進入湘桂作戰的第一期。
湘桂作戰也就是「一號作戰」中，除豫中會戰、長衡會戰的最後一個階段——桂柳會戰，第一期計畫是直接攻取零陵和邵陽。可是按照「中國派遣軍」的原計畫，該行動至少要在半個月之後才能展開。現在部屬未經同意就將戰役提前了這麼長時間，令司令部感到很是震驚。
總參謀長後宮淳中將親自向第十一軍發來電報，認為即便要發動洪橋會戰，也應視為桂柳會戰的準備，而不是開始，因此要暫緩攻取零陵和邵陽。
南京的電報在日軍第十一軍司令部內引起了爭論。這次就連橫山勇本人都猶豫起來，因為電報上說得很清楚，若是他一意孤行，再遇到後勤方面的困難，總部就只能做撒手掌柜——「第十一軍首先必須靠自身推進後方」。
司令部里與南京總部唱反調的人，只剩下高級參謀島貫武治大佐。島貫是長衡會戰中日方作戰計畫的主要制定者，他堅持任務第一，強調洪橋會戰已經開始，今後究竟打到哪裡，要看敵情如何，不能總部說什麼就是什麼。
戰局的變化，最終讓島貫在論戰中取得了勝利。8月31日，在第十一軍發起進攻後僅僅兩天，洪橋正面的中國軍隊即發生全面動搖。在此情況下，雖然「中國派遣軍」對洪橋會戰仍抱有微詞，但也只得予以默認。
橫山勇發動洪橋會戰的胃口不小，他起初是要從洪橋的西北部實現突破，將中方各兵團一個不留，全部予以分割圍殲。對日軍第十一軍能夠集結如此多的兵力，不停頓地發動會戰，中方確實沒有料到，可是問題最後還是出在第十一軍自己身上：因為倉促啟動，缺乏必要的戰略欺騙，各部隊都擺著包圍姿態直捅捅地朝洪橋進兵，這等於提前給中國軍隊報了警，通知他們要趕緊後撤。
預定的圍殲戰變成了追擊戰，急得島貫直跺腳，他在日記中寫道：「敵之退卻，恐因我軍企圖暴露。」
日軍急於擴大成果，前線戰況也因此愈演愈烈。慌亂之下，很多中國軍隊已不是撤退，是潰退，其中第七十九軍更是連軍部都遭到日軍第四十師團騎兵的突襲，軍長王甲本不幸陣亡。
扼守邵陽的七十四軍乃是橫山勇要予以殲滅的重點目標。至8月31日，五十一師、五十八師與日軍第四十師團先頭部隊已激戰達兩天之久，雙方均傷亡慘重。9月1日，日軍第四十師團主力陸續到達，攻勢更為猛烈。緊張關頭，五十一師又被調到其他方向堵擊西進日軍，邵陽以東的防守陣地上只剩下五十八師。
從當時的態勢來看，五十八師與敵人鏖戰的時間拖得越久，危險性也就越大，但如果轉身就撤，可能遭受的損失更大。七十四軍為此制定的策略是，以五十八師逐次使用預設陣地進行阻擊，在消耗日軍兵力的同時，為五十七師完成邵陽城的守備贏得時間。
9月6日，日軍攻克零陵，但第四十師團一直未能夠突破邵陽外圍，其後該師團被調往桂柳戰場，替換進攻的是日軍第三十七師團。
9月11日，五十七師完成守備部署，傷亡過半的五十八師除留下小部隊遲滯敵人前進外，主力撤往邵陽以西。
這時日軍已將進攻重點集中於桂、柳地區，9月14日，日軍第十一軍攻陷了廣西全州。軍司令官橫山勇在自得之餘，也感到必須清除自身後方存在的隱患——第七十四軍扼守的邵陽處于衡陽西北，對衡陽以及湘桂鐵路沿線始終是一個嚴重威脅。
橫山勇對第一一六師團下達命令，要求對擔任主攻的日軍第三十七師團進行策應。該師團隨即奉令佔據邵陽西南附近河岸，然後向邵陽以西及西北迂迴，企圖切斷守軍向西北的退路。
假如邵陽四面被圍，守軍就會遭遇常德、衡陽保衛戰的復轍，即守不住時想撤都撤不出來。王耀武因此調回了五十一師，該師奉令與五十八師、五十七師一六九團一起在邵陽以西構築小據點守備，不讓日軍第一一六師團對邵陽形成合圍。
處於這種嚴密警戒之下，日軍只能先從東面對邵陽城進行突破。