日军自停止第二次全面总攻后，这次修整的时间比上一次还要长，而敌人准备的时间越长，也就预示着其下一次进攻的程度就会越猛烈，此时第十军的官兵都在默默的等待着那一天的到来，也早已做好了随时为国战死的准备。而就目前的态势来说，由于中国援军纷纷脱离战场，横山勇终于可以集中全部力量围攻衡阳城，在他的命令下日军第34、58师团、第13师团所属之步兵第65联队以及独立野战重炮兵第15联队开始向衡阳方向集结，加上之前原本就在南部进攻的68、116师团，日军为第三次总攻击准备的兵力达到了空前的6万多人。
与此同时，为了防止中美空军对日军后方补给线的空袭，在地面上日军沿湘江一线部署了大规模的防空火力，其高炮第23联队位于长沙至靖港一线，战车第3师团防空队位于湘潭至易俗河一线，战车第2师团防空队位于洣水与湘江合流处一带，两支高射机关炮中队随运输船舶同行进行护卫。在空中，日军第1飞行团下属之第16、90轰炸机战队则利用夜间陆续向赣州、遂川、梁平、桂林以及芷江机场分别执行了重点轰炸，以减缓中美战机的起飞架次。
虽然日军停止了对衡阳的大规模全线进攻，但是在衡阳南部地区的小规模战斗其实一直都没有停止过，在一些无名高地上中日双方都在进行着连、排级的战斗。7月底我守军根据兵力部署逐次放弃外围阵地，退守至西禅寺、天马山、苏仙井、乐屏山、太子码头一线形成了守卫衡阳城西南方向的最后屏障，而就是在此处日军第109、120、133、218联队以及第57、58旅团相继付出了极其惨重的代价，直至衡阳保卫战全部结束，部分核心高地依然在我军手中。
根据日军士兵回忆，在双方激烈的交火中有许多被我军击伤的日军躺在地上痛苦的呻吟，7月末的衡阳骄阳似火，地表温度极高，而到了夜里这些受伤未死的日军士兵向周围小声的喊着：“友军还在吗？我想喝水。”可是在我军密集的火力压制下，没有人能救得了他们，最终这些受伤日军士兵的呼救声渐渐减弱，全部死在了这个让他们感到陌生又恐慌的战场上。7月29日凌晨，日军中突然出现了一起罕见的逃兵事件，一个名叫坂本末吉的士兵因多次发表“在这种地方还要豁出命去打仗？”“为什么要在这种地方死掉？”等有辱士气的言论被上级长官准备移交军事法庭审判，为了保命坂本于当日凌晨擅自脱离队伍，直到战后也杳无音讯。
由于衡阳战事的久拖不决，日军第11军司令官横山勇正在承受着从军以来前所未有的巨大压力，此时在日本国内的官兵家属们几乎每天都要收到来自陆军省抚恤部门送来的阵亡士兵骨灰，而骨灰盒上贴着的阵亡地点无一例外都是“衡阳”。此时在日本国内的民众心中，衡阳这个原本十分陌生的异国小城如今已经成为一个让所有人都禁忌的地名，如果谁家男子的服役地点在衡阳附近，那么就意味着其必然会战死的命运。
8月1日，由于数十万日军主力部队始终被困在衡阳一线，时任日本中国派遣军总司令的畑俊六不得不下令第23军中止原定进攻韶关的作战计划，并为此重新制定了“湘桂地区第二期作战计划”。与此同时，他要求参谋长松井太久郎亲自飞抵长沙向第11军司令官横山勇进行当面训斥，警告其3天之内必须彻底结束衡阳战事，否则他除了在衡阳城外剖腹自杀以外没有第二条路。
横山勇深知这种警告的分量，如果不能尽快的彻底歼灭死守衡阳城的第十军，那么他将承担“一号作战”失败的全部责任。因此他于8月2日率领第11军参谋长中山贞武等随行人员将军指挥部从长沙推进至衡阳北郊的杨家冲一带，便于直接指挥攻城作战。由于担心座机遭到中美战机的截击，横山勇一行人于凌晨5时在湘潭机场转场后再次起飞，不过当其抵达衡阳江东机场后依然被第十军侦查兵所发现，随即遭到了守军迫击炮的密集轰击。
横山勇等人只能在飞机还未停稳的情况下匆匆离开座机，但是其随行人员中有一名军官被炸伤、两名卫士被炸死。当天，在第13师团师团长赤鹿里的陪同下，横山勇走出机场防空壕前往附近高地对远处的衡阳战场进行观察，与其一起出行的还有第58师团参谋长有马纯雄、第68师团参谋长小合茂、第116师团参谋长立菌荣造以及第13师团参谋长依知川庸治。通过各师团参谋长的战情汇报，横山勇在地图上进行反复推演，经过分析横山勇认为以第13师团一个联队的兵力在对方猛烈火力反击下强渡湘江的困难较大，因此对于第13师团到底是佯攻还是强渡，军司令部将根据战场形势的变化另行通知。
8月3日，日军的各辎重联队在独立步兵第5旅团的护送下通过长衡公路已经陆续向衡阳前线运送了800多吨的战备物资，当天夜里横山勇在电报中向各位主攻部队的师团长发布了战前训令：“兹以岩、堤、广、鹿师团之精锐攻略衡阳之准备业已就绪，切勿错过此一良机而再寻攻略之机，军将以必胜决心一举攻占衡阳，各兵团部队应设法竭力完成使命，为我军之传统增添不朽光辉！——旭集团长衡山中将”。
为了防止来自广东方向的中央军北上驰援衡阳，横山勇将第3师团下属的34、68联队部署在耒阳以西地区，加上原本驻守该地的第13师团116联队，衡阳守军与南线援军的联络被彻底切断。在这种情况下以第十军仅存的几千人想要抵挡住6万多日军的进攻是根本不可能的，所有人都清楚衡阳的彻底失陷只是时间问题。不过横山勇还是希望能够在减少自身伤亡的情况下做最后一搏，他命令陆军航空兵的轰炸机向衡阳城内投放了数万张归来证，上面写道：“能征善守的第十军官兵们，任务已经达成，这是湖南人固有的顽强性格，但是你们命运不济，援军不能前进，诸君命在旦夕！但能加入和平军，皇军绝不以敌对行为对待。”
方先觉在看到日军的劝降传单后，命令士兵将所有传单收集起来并集中烧毁，他清楚在经历了长达40余天的惨烈搏杀后，此时第十军官兵们的体力和精力已经达到了极限，最后所能依靠的只剩下了视死如归的精神信念，一旦有一丝动摇就会兵败如山倒，所以决不能让外界因素所干扰。
8月4日17时整，日军在经过充分准备后终于发起了规模最大的第三次总攻击。亲抵衡阳的横山勇命令重炮部队向第十军防守的西南高地以及市内建筑物进行长达2个多小时的持续炮击，与此同时日军第五航空军之第8飞行团以及第16、44战队所属的轰炸机群也开始向西禅寺、乐屏山、苏仙井、天马山、大西门、演武坪一线阵地进行猛烈轰炸。在地面上，日军第58师团已经渡过草河准备向驻守衡阳西北的第3师阵地发起攻击，日军第13师团的部分兵力也已经集结在湘江东岸准备渡江强攻，第68、116、34师团则继续负责进攻衡阳南部及西南高地。
而此刻的第十军所有能战兵力已不足5000人，面对日军4个半师团6万多人的第三次总攻，衡阳之战的胜败已无悬念，剩下的唯有双方意志与尊严的最后较量。在日军大口径榴弹炮、加农炮的火力打击下，我军任何裸露的阵地都会遭到毁灭性的炮击，驻守苏仙井高地的预10师官兵伤亡惨重，日军密集的炮火导致我军数百名伤员无法送往后方，这些伤员只能揣着手榴弹等待与冲上来的日军同归于尽。
总攻开始后，位于天马山以南的西禅寺高地首先遭到日军109联队的疯狂攻击，双方激战至深夜，防守该阵地的第3师9团官兵利用手中仅存的武器顽强抵抗。日军109联队第一大队在经过一昼夜的反复攻击后伤亡惨重，联队长泷寺保三郎不得不下令停止攻击，并将第一大队的剩余兵力并入第二大队的战斗序列。8月5日上午，岩永汪命令218联队接替109联队继续向中国军驻守的西禅寺高地发起进攻，由于横山勇在战前已经向各师团长下达了三日内必须破城的死命令，所以此时的日军也已经杀红了眼。一天之内，109、218联队在西禅寺阵地外已经伤亡了近1000余人，后续跟上的日军步兵梯队则踏着战友的遗体继续向我守军制高点发起强攻。
因日军的炮火始终封锁着西禅寺与后方的联络通道，致使我守军无法得到兵源补充，加上218联队持续不断的猛攻，下午16时许，驻守此处的中国守军全部殉国，西禅寺高地最终被日军所突破。不过由于苏仙井以及乐屏山等高地的第十军官兵依然在顽强抵抗，因此南线日军的伤亡还在极具增加，此时在湘江东岸集结的第13师团所属山炮兵第19联队以及第11军直属的野战重炮兵第15联队也开始以猛烈火力轰击衡阳市区，一瞬间整个衡阳城被无数炮火硝烟所笼罩。在地面上日军从南、西、北三个方向上对我军各处阵地进行反复的疯狂进攻，之前负责在城北警戒的守军官兵此时也开始与日军第58师团的先头部队爆发了激烈战斗。
8月5日，日军第58师团已经抵近衡阳守军位于城北体育场的警戒阵地面前，其师团长毛利末广虽然清楚此处的地理特征并不利于使用步兵大规模冲锋，但是迫于横山勇的军令他只能要求独立步兵第52旅团的4个大队必须从正面开始向中国军阵地发起攻击。为了掩护第52旅团的攻击行动，毛利末广命令第51旅团之独立步兵第92、93、94、95大队奉命从右翼对中国军阵地发起牵制性攻击。
日军发起攻势后，驻守此处的守军随即使用迫击炮、轻重机枪对日军进行猛烈射击，由于在开战前中国军队已经将演武坪周围的民房、池塘进行了改造，形成了一个纵横相连的综合式阻击阵地，并且在宽广的防御正面上设置了大量的铁丝网、雷场、反步兵壕等障碍，导致日军第一波攻势的进展极为缓慢。
此时，执行完轰炸日军炮兵阵地任务的中美联合航空队战机在发现有大量的日军步兵正在围攻我演武坪阵地时，随即开始降低高度并对日军进行密集扫射，在空地协同火力打击下，日军独立步兵第52旅团伤亡惨重。傍晚，为了彻底突破中国军队的阵地，毛利末广改变作战计划，派遣师团工兵大队以土工作业的方式将战线向前推进，并且命令野勾武彦的第51旅团以全部兵力开始向中国军侧翼阵地发起主攻。面对日军2个主力旅团上万人的疯狂进攻，我军的坚固堡垒在敌人的猛烈炮火打击下损毁严重，驻守此处的第3师官兵只能改变战术全体转入较低的壕沟内继续抵抗。
根据日军士兵的回忆：“攻击发起后，我军一线步炮火力对敌军发起了狂热射击，步兵冲锋的攻势逐渐高涨起来，重庆军阵地上的碉堡、民房以及栅栏等掩体被一一摧毁。为此，独立步兵第92大队在大队长中西福松的率领下冲入敌军阵地，但该大队随即遭到了重庆军的南北两侧火力夹击，部分躲在损毁民房后的敌手榴弹兵开始向中西大队所在位置连续发起手榴弹攻击，致使突入敌阵地内的中西大队官兵最终全部战死，攻击失败”。
为了尽快突破衡阳守军的防线，师团毛利广末对各参战大队下达了决死命令，要求一线部队重新组织攻势，不惜一切代价必须彻底突破中国军驻守的演武坪一线阵地。8月5日夜22时整，日军利用大型发烟筒所产生的烟雾作为掩护，以师团全部山炮的火力开始对守军阵地进行猛烈炮击，因驻守此处的第3师兵力有限，经过一整夜的激战日军最终突破了守军的防线，完全占领了衡阳城北的演武坪阵地。
战后，日军师团长毛利广末亲自前往一线阵地视察时看到了令其难忘的一幕，无数的中国守军士兵竟然全部阵亡在水深及腰的壕沟内。因衡阳西北方向的池塘较多，地下水位本来就很低，导致守军在挖掘战壕时地下水直接涌入了壕沟。可是即便在这种恶劣的条件下，这些勇敢的中国军人在面对数倍于己的日军进攻时依然死战不退，直至战死为止，而这种惨烈的情景让许多久经沙场的日军官兵也不得不感到钦佩。
在解决了中国军队在衡阳北部的最后一处外围阵地后，日军炮兵联队开始纷纷越过蒸水抵近至衡阳城外，以猛烈的火力直射位于城垣的我军小西门阵地。根据日军的战史记载，在日军第58师团陷入苦战时，位于湘江东岸的日军第13师团已经接到可以渡江作战的命令。5日夜，正当第65联队即将发起渡江夜袭前，突然接到前方士兵报告，发现湘江之上漂浮着黑色的不明液体，猜测为中国守军倾泻的原油。这令横山勇感到十分棘手，因为在1943年的常德会战中日军曾经在强渡沅江时遭到过类似的火攻，所以横山勇不得不下令第65联队中止渡江行动，以主力运动至湘江下游重新寻找登陆点，以策应日军第58旅团对芭蕉林、太子码头发起的攻势。
8月5日，在衡阳南部作战的日军第133联队此时已经做好了全员玉碎的准备，黑濑平一命令日军护旗小队将联队军旗秘密推进至苏仙井高地下方的交通壕内，准备亲自率领联队仅存的300余名士兵擎举军旗向我军阵地发起最后的攻击。根据幸存日军士兵回忆：联队长黑濑平一命令，一旦此次攻势再次失败，那么联队本部的通讯兵必须及时焚烧战时名册以及通讯密码，由此可见这支一个月之前还在不可一世的日军王牌部队此时已经山穷水尽。
由于133联队距开战之初已经损失了90%的兵力，为了避免这支主力部队全军覆没，师团长岩永汪亲抵133联队指挥所，向黑濑颁发了其晋升少将的进阶章以鼓舞一线官兵的士气。岩永汪原本是希望在衡阳战后为黑濑举行一个隆重的晋级仪式，所以他从师团在武昌开拔之时就一直秘密携带着这个晋级令，可是目前的战局已经失控，如果再不拿出这个晋级令，恐怕黑濑平一在生前是享受不到升官的喜悦了。除此之外，岩永汪了解133联队目前已经没有可调用的作战力量，所以他不得不将109联队的饭岛大队抽调给黑濑平一指挥。
根据增援的饭岛大队士兵回忆，他们在抵达133联队的阵地后发现眼前这支师团主力的状态着实让人震惊，在经历一个多月的残酷血战后，此时133联队幸存的官兵已经变得半人半鬼。这些衣着破败、行动迟缓、精神涣散的士兵，与开战前那支意气风发、军容整洁的“皇军”相比，简直是天差地别。如果没有后来衡阳西北方向战局的突然逆转，那么这支部队就将成为日军历史上第一支被我军成建制歼灭的步兵联队。
关于日军的这支饭岛大队，我预10师29团1营长劳耀民曾回忆道：“在击退日军三次攻击后，第四次冲上来的日军似乎与此前的敌人有所不同，他们行动机敏、军容整洁，看来是敌人的新锐援军被投入战场了。”当天，为了掩护第6、44航空战队向衡阳守军阵地发起的空袭，日军第48航空战队的战机与前来拦截的中美空军战机爆发了激烈空战。
8月5日傍晚，日军再次对苏仙井高地发起攻击，由于此时的133联队已经丧失了继续作战的能力，所以作为主攻的饭岛大队不得不在缺少策应的情况下独立突进。为了压制住我军的机枪阵地，师团长岩永汪命令日军速射炮中队向正前方的中国军碉堡进行抵近射击，在日军的步炮协同打击下，联队长黑濑平一要求饭岛大队抓住战机，争取一鼓作气拿下苏仙井高地，可是当日军步兵继续向上冲锋时却突然遭到了来自天马山与乐屏山高地的侧射火力打击。
在我军重机枪的扫射下，饭岛大队的官兵伤亡惨重，战死者尸横遍野，负伤者不停哀嚎，剩余幸存的士兵只能被压缩在狭小的交通壕内不敢动弹，此刻109联队的官兵终于体会到了之前黑濑联队在此处作战时的绝望感受。对于日军在苏仙井与乐屏山高地的困境，133联队长黑濑平一在战后曾解释道：“天马山、苏仙井、乐屏山三处高地在重庆军的精心布防下，已然成为一个立体的防御系统，本联队之所以未能扩大战果是因此处的地理特征决定了任何一支部队都无法单独突击成功。”
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