9月15日，日軍第三十七師團到達邵陽東北的資江岸邊，一面在沿岸部署兵力，一面用汽艇以及木筏、竹筏強渡資江。
負責守備邵陽城的是五十七師一七一團，乃是常德保衛戰的主力軍。團長杜鼎劫後餘生，被公認是一員勇敢善戰的虎將。此外，一個軍屬炮兵連也被留下協同守衛邵陽。
邵陽保衛戰既是堅守防禦，也是專守防禦，其特點是可用以防守的兵力有限，無法隨意調撥，面對一片汪洋的水澤地帶，出擊、牽制、佯動等戰術手段都難以施展，而日軍卻可以從水上實施多方位攻擊。
這是不利的地方，五十七師的有利之處在於，自武漢會戰起，中日兩軍的主戰場便沒有離開過江河湖塘。逢到水上登陸戰，一般情況下，總是日方強渡，中方迎擊，中國軍隊也因此積累了豐富的反登陸戰經驗。
只要日軍一在水面上進行活動，第一線防禦部隊便可以派出一名觀測員，對敵我距離進行目測，以便為指揮射擊提供依據。
通常在日軍進入1500米的距離範圍以內，炮兵連就要進行射擊。同時為避免日軍炮擊己方前沿陣地，減少不必要的損失，第一線步兵最好以班為單位，暫時退到預先構築的第二線陣地上去。待觀測員觀測到日軍進至四百米附近時，再躍入前沿進行戰鬥。
步兵射擊的有利時機，則應選擇在日軍徑直跳水上岸，直接向阻擊陣地發起衝擊的瞬間，此時構成的交叉火力網會對日軍造成最大殺傷。即便阻擊陣地有一處被突破，也不要過於慌亂，突破口兩側的守軍若能指揮得當，馬上就能以火力將後續敵人封住。
在登陸戰和反登陸戰的過程中，資江岸邊一天到晚響徹著激烈的槍彈聲和喊殺聲。日軍的強渡被屢次擊退，守軍擊沉汽艇七艘，打死日軍四百多人。經過一個多星期的激戰，日軍才得以在邵陽城東登陸，隨後攻佔了城東、城南的警戒陣地。
東門外的每一處高地都被一七一團充分利用起來，構築出若干個星羅棋布的據點，各據點之間既獨立支撐，又相互策應，以消耗遲滯為手段，對敵人的有生力量進行削弱。
見進攻受阻，日軍開始發射燃燒彈和毒氣彈，城內外十多處地方被大火點燃，全城火光衝天，毒氣瀰漫。邵陽乃是一座有兩千多年歷史的古城，轉瞬間也像常德、衡陽一樣，從一個完整昌盛的市鎮變成了滿目瘡痍、令人目不忍睹的瓦礫場。
戰至9月27日，一七一團已死傷六百多人，其中第二營更是傷亡殆盡。
夜色漸濃，城外守軍開始有秩序地撤入城內。日軍第三十七師團第二二五聯隊發現城外防守陣地上一片靜寂，他們搜索前進，結果一直走到城邊也沒有看到一個守軍，於是便想當然地向師團報告，說中國軍隊已經棄城而去。
打了這麼多天都沒能攻下邵陽，師團長的心火都快被急出來了。一接到這份報告，沒有再進行偵察核實，他便向橫山勇發出報告：「27日晚間已佔領寶慶（邵陽）。」
當下，日軍二二五聯隊、二二六聯隊便大模大樣地由東門向城內開進，但他們沒料到的是，一七一團根本就沒有離開，而是在佔據新的防禦陣地後，就地在城內設置了伏擊圈。
若單純以殲敵手段而論，巷戰比水面殲敵更為有利，因為日軍的炮火優勢勢必受到一定限制。同時杜鼎這些中方指揮官的巷戰經驗，也絕不少於反登陸戰。
巷戰強調的是寸土必爭。每一間房屋、每一個小巷、每一條街道，都要作為防區控制起來。火力配備也有講究，不是均衡分配，而是要根據建築物的高低、堅固程度以及前後左右關係，採取多層次配備，從而使得火網立體化。
在這一配備中，最低處要安排重機槍，特等射手也就是狙擊手可以配置在不惹敵人注意的位置，並在射手能夠自行掌握的有效射程內，對日軍軍官、觀測點、通訊兵打冷槍，以擾亂其指揮系統。
進入伏擊圈的日軍猝不及防，在巷戰中被予以大量殺傷，師團司令部給橫山勇的那份電報也因此成了一個大笑話。
日軍第三十七師團只能重回起點，繼續圍攻。9月28日夜，南門被日軍攻破，一個晚上突入八百多人，守衛南門的中國官兵立刻與日軍展開肉搏戰，他們中的大部分人都在戰鬥中與敵同歸於盡。
隨著城內日軍越來越多，巷戰也更趨激烈。戰線上敵中有我，我中有敵，互相穿插，各自為戰。此時電話線斷了，指揮也不方便，兩邊士兵逐屋逐壘地進行拉鋸和爭奪，近距離的火力激戰、白刃格鬥、手榴彈戰主導了整個戰場。一七一團雖然傷亡慘重，但仍死死地扼守著城內的部分據點，一間房，一堵牆都不肯輕言放棄。
9月30日，戰鬥已呈白熱化。第二天，一七一團副團長以下均持手榴彈與日軍拚死戰鬥，就連炮彈罄盡的炮兵連也被編成突擊隊向敵人發起反擊。
10月2日凌晨，守軍陣地只剩一隅，再也無法繼續堅守。一七一團團長杜鼎遂率殘部一百五十人分路突圍，一路出西門，一路出東南城門，兩路均得以順利突出城外，與主力會合。
邵陽保衛戰結束後，橫山勇將第三十七師團南調進攻桂林，邵陽地區改由日軍第一一六師團守備。至12月10日，桂林、柳州先後失陷，大陸交通線被完全打通，「一號作戰」也即豫湘桂會戰方告結束。
進入1944年秋季以後，國際反法西斯戰爭形勢已趨於明顯好轉。可就在這樣一個大背景下，中國軍隊卻遭遇了極其慘痛的失敗，參戰部隊中有百分之五十到六十的正規部隊都被完全擊潰，剩餘部隊的戰鬥力也越來越弱，上上下下都為此失去了信心。
這是正面抗日戰場上最令人絕望的一段時間。在一次整軍會議上，蔣介石痛徹於心地說道：「我今年58歲了，自省平生所受的恥辱，以今年為最大！」