自日军发起第二次全面总攻以来，中国军队在夜间发动的逆袭几乎就从未停止过，与116师团相邻的日军第58旅团在连日的作战中伤亡惨重，其第65、115、116步兵大队的战斗兵源已经所剩无几，此时唯一能继续攻势的仅剩下了停兵山之战后经过补充的步兵第117大队。
7月16日，为了夺取枫树山以东的33高地，日军步兵第117大队在师团炮火的掩护下向守军阵地发起攻击，当抵达目标下方时集体向我军阵地内投掷手雷，不过中国军队随后又将部分手雷扔了回来，双方迅速陷入了惨烈的白刃战。在遭到来自我方机枪阵地的密集火力打击下，先期突入的第5中队此时已经全部战死，为了确保该阵地117大队的剩余兵力在永里大队长的率领下纷纷越过壕沟冲进了33高地内，死守该阵地的西南一角等待援军。
根据日军117大队幸存的士兵回忆：当大队终于成功占领该高地后，中国军队随即组织数百人规模的大反击，并且此时盟军的飞机也抵达战场，向日军投掷带有降落伞的高爆航弹，这令死守阵地的日军伤亡极大。危急时刻，永里大队长向师团所属之炮兵部队拼命的请求火力支援，部分日军士兵因弹药已经耗尽，只能捡起中国军队投掷过来带有木柄的手榴弹进行还击，最后甚至只能捡一些石块向对面扔过去。在其余的各处高地，面对一波又一波疯狂进攻的日军，第十军的一线部队阵地正在承受着巨大压力，由于缺少能够有效压制日军大口径火炮的武器，我军官兵只能在敌人快要接近阵地外围时对其发起反击。
根据预10师29团官兵的回忆，在一场惨烈白刃战过后，我增援部队抵达前线时发现有一名身材魁梧的士兵正坐在阵地中嘶吼着什么，当他们走近了之后才听清楚原来这名士兵是在喊着一个又一个名字，此时他的双眼蒙着厚厚的纱布，显然是被日军炮火炸瞎了，不过就是在这种情况下他依然在手中紧紧的握着一枚沾满鲜血的手榴弹，似乎在等待着什么。
可是喊着喊着他却突然骂了起来：“好啊，你们这群怕死鬼！之前一个个的都喊着要宁死不退，现在全他妈都丢下阵地逃了！你们全是孬种！”此时身旁的人终于明白了，原来他是在喊着自己连队战友们的名字，于是忍不住走了过去，拍了拍他的肩膀说道：“兄弟，你的连队没有一个人是逃兵，他们现在依然在阵地上，只不过再也听不到你的声音了！”
原来在这场激战之中，除了这名倔强的“瞎子”活下来以外，整个连队的所有人都已经阵亡了，听到这里“瞎子”的身体仿佛时间停顿了一般一动不动，没一会儿便开始放声大哭。虽然此处阵地是这支英雄连队用鲜血与生命换回来的，但是根据军部命令，增援部队在打退日军的进攻后应该快速打扫战场，抢救伤员并且返回主阵地内。可是这名“瞎子”却死活不肯随增援部队撤退，他唯一的请求就是希望多留给自己一些手榴弹，很显然他已经准备好做出最后的牺牲了。
在苦劝无果后，战友们知道再劝下去也无意义，所以只能同意将随着携带的手榴弹全部留给他，临行前所有士兵向他敬礼表示敬意，随即忍着泪水撤回了主阵地。虽然没有人知道这名“瞎子”最后的结局如何，但所有人心里都清楚那会是一个怎样壮烈的结局。
7月17日夜，位于衡阳南部的西禅寺高地曾一度被日军攻占，此时正在后方待命的48师战防炮营步兵连连长杨光荣看到了从西禅寺方向退回来了十几名士兵，他迅速跑上前去询问，士兵们垂头丧气的说道：“连长，西禅寺丢了！”这一突发的战场情况让杨光荣感到十分震惊，他很清楚西禅寺高地的战略地位非常重要，如果真的被日军占领，那么作为衡阳核心阵地的天马山便会提前暴露。
而天马山一旦失守，衡阳城的西南方向则门户洞开，所以他马上下定决心无论如何要想办法把西禅寺给抢回来。杨光荣随即命令这十几名士兵原地待命，自己跑到了营部向营长请战，营长在得知西禅寺失守的消息后也十分紧张，不仅批准了杨光荣的请战要求而且还命令营部的军械兵、文书以及通讯兵等十几人跟随杨光荣一同出战。此时正值深夜，杨光荣率领这30多名士兵偷偷的摸到了西禅寺高地下方，他将这些人编为三个小组，一组、二组负责正面攻击，三组潜伏在围墙外候命，分配完作战任务后攻击小组迅速采取了行动，所有人将帽子反戴避免军徽在月光的反射下被日军察觉。
此时的日军也只是刚刚占领西禅寺阵地不久，兵力并不多而且还在抓紧时间修筑工事，面对突然冲上来的数十名中国士兵一下子被吓了一跳，双方连开枪的时间都没有就陷入了惨烈的肉搏战。可是随着发觉中国军人反击的日军越来越多，杨光荣率领的这20余人开始陷入被动，正在这万分危急之时潜伏于围墙外的三组似乎已经预感到了什么，纷纷越过围墙大声喊：“杀！”原本寂静的夜晚，三组这10多人突然的喊杀声可以说撼天震地，极为瘆人。
而日军在看到又有中国军冲了上来之后心里开始发慌，由于是夜间日军也搞不清这股反攻的中国军队到底来了多少人，只觉得好像不停的有中国军人在加入反攻，而在得到了三组支援的杨光荣们士气大振，也跟着大声喊起了杀！最终日军彻底崩溃，纷纷向山下逃去，此战由于杨光荣英勇果敢的指挥使得西禅寺阵地失而复得。可是他清楚这样的逆袭也许只有一次成功的机会，下一次如果再有大股的日军来袭，仅凭他们这几十人是肯定守不住的。而双方进行反复的拉锯战对第十军来说是极其危险的，如此消耗下去第十军的兵源会越来越少，而且目前部分阵地已经发生了弹尽粮绝的情况，许多一线的士兵不得不拿起日军的武器进行还击。
7月18日，位于大西门方向的日军独立步兵第57旅团已经推进至距离我军防线不足百米的位置，当天日军第6飞行战队飞临守军阵地上空开始投弹，随后日军步兵向我军发起大规模冲锋。可是，即便在遭受日军如此猛烈的空地火力打击下，我守军官兵依然牢牢控制着外围阵地死战不退，以密集的手榴弹向日军突击部队连续投掷了足足1个小时之久，最终将其击退。不甘心失败的日军第57旅团长志摩源吉命令各突击大队重新组织兵力，准备向驻守大西门防线的第十军阵地再次发起攻击，与此同时日军第44飞行战队也抵达衡阳上空，以火箭弹猛烈射击中国守军防线。经过一昼夜的激战，日军第57旅团负责攻击的各步兵大队已经伤亡殆尽，依然无法突破大西门防线。
7月19日，在横山勇的命令下日军第44飞行战队于后方换装了特种燃烧弹，这批日军战机在飞抵衡阳上空后没有选择将炸弹投至守军阵地，而是泄愤似的投向了衡阳城内，致使城中的8处地点瞬间燃起了熊熊大火，造成正在各处野战医院内接受救治的第十军兵患伤亡惨重。此时，日军各攻城部队已经在衡阳连续发起了9天的总攻作战，在兵力、火力占据压倒性优势的情况下依然没有能够彻底动摇中国军队的核心防线，这让不少参与一线作战的日军官兵心里开始产生了己方是否能取得最终胜利的怀疑。
尽管第十军已经给日军的有生力量造成了极其严重的杀伤，可是方先觉心里清楚作为孤军的第十军此时战死一人就少一人，而预备第10师身为突在最前面的军主力，经历了日军的两次总攻击后伤亡也十分巨大，许多连队成建制的牺牲在了阵地上。可是对面的日军在外围还有大量的援军可以补给有生力量进行持久战，如果继续死守张家山、枫树山、五桂岭等阵地，不仅会造成有限的兵力被过度分散，而且还会与日军形成消耗战，所以方先觉命令预10师将仅存的兵力收缩至乐屏山、苏仙井、天马山、西禅寺、回雁寺等核心防御圈内。
此时在第十军二线阵地外围的山坡上已经堆满了日军士兵的尸体，战至7月19日，日军为了攻占西禅寺、虎型巢、枫树山、张家山、五桂岭等阵地已经付出了伤亡2万余人的代价，其阵亡士兵的遗体已经将各处阵地的交通壕全部填满了。而第十军目前已在衡阳坚守了近30天的时间，由于战斗进行的异常惨烈，守军武器弹药的消耗速度大大超出了战前的预计。
根据预10师迫击炮连的士兵回忆，在退往核心阵地之前他们所在的连队已经向日军发射了近3000发炮弹，许多炮兵由于得不到后方的补给只能加入步兵连继续作战，为了减少武器弹药的过度消耗，方先觉向一线部队下达了三不打原则：看不见不打，瞄不准不打，打不死不打。由于日军在第二次总攻期间各攻城部队均采用人海战术并且不分昼夜的执行对任务目标的反复冲锋，所以我守军将士只能把敌人放近后再使用集束手榴弹进行反击，随后冲出阵地与其肉搏。
在战局最危急的时刻部分日军曾逼近至苏仙井以南的新街口阵地，企图以此切断预10师与第3师阵地之间相互联系的交通壕，不过在第3师9团上校团长萧圭田的率领下，我军向日军发起数次大规模反击又将这些失守的阵地重新夺了回来。据日军攻坚联队幸存士兵的回忆，在南部高地的战斗期间日军曾经无数次遭遇过己方刚刚夺下阵地，前方就会突然出现数百名“重庆军”士兵向他们扑来，在一通混战之后日军马上就会被赶下去，许多付出了惨重代价而攻占的阵地始终无法确保，而在此前与其他中国军队交手的过程中，他们还从未遇到过如此善于逆袭的对手。其实通过研究衡阳战史我们可以发现，预备第10师在衡阳南部的阵地几乎都是为了保存实力而逐步后撤的，日军也只能在我军后撤后才能在一处阵地站稳脚跟，否则便会陷入无休止的逆袭与反击之中。
在第二次总攻期间，日军第11军司令官横山勇曾命令炮兵对我军阵地进行无差别射击，即使有些阵地已经陷入了混战，但只要还有中国士兵的身影，日军的炮兵依然会对其进行轰击，完全不顾已经突入阵地的日军性命，而这种残酷的战法其实也并不是横山勇首创。在1904年日军进攻俄军驻守的旅顺要塞时，前期负责在东北方向主攻的日军第9、11师团在俄军疯狂的反击中几乎全军覆没，为此日军第三军司令官乃木希典不得不改变策略，将目标定在了旅顺西北的203高地上，负责攻打此处阵地的是日军第1师团，经过近一个月的血战日军的攻击再度失败，乃木希典被迫下令停止攻击。
此时位于印度洋上的俄国海军太平洋第一分舰队已经向海参崴驶来，一旦日军不能在年底解决旅顺要塞的战斗，那么位于旅顺军港内的俄军太平洋舰队就会与前来增援的第一分舰队成功汇合，届时由东乡平八郎率领的日本联合舰队就将彻底失去全歼俄国远东海军的战机。正当乃木希典陷入苦恼时，一个人的到来改变了日军被动的局面，他就是前任日本陆军大臣：儿玉源太郎。
作为日本现代陆军历史上最具盛名的军事天才，儿玉源太郎此时的身份是日本满洲军总司令大山岩的参谋长，在经过缜密的分析后，他认为乃木希典在日军的前三次总攻击中已经将所有可以使用的办法几乎用尽，唯独有一点还可以稍加修正，那就是把炮火准备改为炮火覆盖。儿玉目的很简单，传统的炮火准备在俄军坚固的要塞防御工事面前几乎不起到什么作用，所以当日军步兵向上突击时依然会遭到俄军的猛烈反击，只有将炮火打击与步兵冲锋同时进行，这样才会彻底压制住俄军的反击效率，不过这种疯狂的战法也势必会造成日军士兵被自己人的炮火所杀伤。
得到儿玉源太郎的指点后，乃木希典马上命令第三军将炮火准备更改为炮火覆盖，果然在后续的战斗中日军成功夺取了203高地要塞，最终取得了旅顺战役的胜利。40年后，作为衡阳会战日军最高指挥官的横山勇似乎面临着与当年乃木希典在旅顺前线时同样的困境，所以为了尽快的结束衡阳战事，他不得不使用这种残酷的战法，希望攻城部队能够抓住战机有所突破。
虽然日军的这种疯狂的战法给我军造成了极大的伤亡，但是在第十军官兵的顽强阻击下，日军依然未能突破我军的核心阵地。一名幸存的预10师步兵连长在战后曾回忆道，日军第二次总攻后期我军萧家山阵地告急，他的连队奉命前往增援，抵达战场后正值日军的后续部队也赶了上来，双方随即发生了惨烈的近战。在两侧高地的机枪火力支援下，日军伤亡惨重逐渐开始向后撤退，战后这名连长从死人堆里爬起来时发现整个阵地上只剩下了自己一个人，而那些几分钟之前还十分熟悉的面孔此时已经东倒西歪的躺在战壕内外。
正当他感到悲愤交加时突然发现在自己阵地右侧的机枪碉堡还在不停的向外射击，他随即拿起武器向碉堡跑去，当这名机枪手回头发现连长跑了进来以后大叫到：“连长，你怎么跑到我这里来了？你应该去指挥全连战斗啊！”连长说道：“好了，你不要说了，现在全连的弟兄都已经牺牲了，只剩下我们俩了，从现在开始我与你在这里共存亡！”说完他便拿起机枪准备向外射击，可当他从机枪射孔望向碉堡外时才发现了一幕让自己终身难忘的景象，此时日军的尸体竟然已经从山脚下堆到了我军机枪碉堡的射口面前！远远看过去整个萧家山阵地的前方就像被铺上了一条卡其色的地毯，仅在这个高地上日军就至少阵亡了2000余人。而且这些尸体的存在已经严重阻碍了机枪碉堡的射界，只有将堆在眼前的日军尸体打碎打烂，他们才能继续向下射击，战斗打到这种程度可以说在中日全面交战的7年中，日军还从未遭遇过像第十军这样“魔鬼般”的对手。
而相比于阵前的惨烈，日军后方野战医院的画面则更加让人无法忍受，许多受伤的日军士兵甚至不愿意住在那里纷纷逃回了原部队。因为此时第十军的抵抗已经接近30天，日军在战前完全没有预料到其主攻部队在衡阳的战事会拖延如此之久，原本所携带的医疗药品早已被消耗殆尽，导致野战医院内到处都是残肢断臂尸臭难忍，成千上万的日军重伤兵因无法医治只能等死。根据日军伤兵回忆，在整个衡阳作战期间，位于南部几处野战医院内最终因战伤死的日军官兵达到了1万余人，而在战后因伤口感染导致病发症最终死于后方的士兵也有上千人之多。
而原本日军作战的习俗是无论如何都要把阵亡战友的尸体完整带回，进行火化后将骨灰送回本土交给其亲人，可是目前衡阳战场的惨烈程度已经让这种传统必须进行简化，由于在前线阵亡的日军人数实在是太多，负责收容官兵遗骸的卫生队员们只能勉强将阵亡士兵的手掌砍断后带回进行集中火化。当看到一列列来自衡阳前线的车厢内载满了战死者的断腕后，如此骇人的画面让后方等待增援的日军士兵不停呕吐，并且产生了极其强烈的厌战心理。
此时所有人才真正意识到正在前方对衡阳进行强攻的68、116师团似乎已经遭到了灭顶之灾，可是他们实在是想不明白在这样一个不起眼的小城中到底发生了什么，能够让如此多的日军士兵命丧于此。不过他们也十分清楚，一旦攻城部队再度失利，那么自己则很可能会被当作补充兵派往一线作战，因此在这些后方士兵的心里没有人愿意比别人更早的达到衡阳，所有人希望的只是战争可以早点结束。
根据日军第68师团收容队的户田芳郎回忆：在日军占领了枫树山阵地后，他和战友即被命令前往一线收容阵亡士兵的遗体，由于日军在这几处高地战死的人数实在是太多，收容队的卫生兵只能用刀将这些阵亡士兵的手腕砍下装进水桶中。当户田芳郎背着装满手腕的水桶向后方返回时，突然遭到了美军战机的扫射，由于紧张他一头栽倒进左侧的一处土沟里，而水桶内的战友断腕则散落一地。
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