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方先覺懷揣訓令，苦苦支撐，艱難等待。幾天過去，儘管心急如焚，望眼欲穿，仍是&ldo;上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見&rdo;，連一個援兵的影子也沒看到。
8月4日晨，日軍以重炮5門、野山炮50門和約五師團兵力向衡陽發起第三次也是最後一次總攻。按總指揮官橫山勇的作戰計劃，預期可在一天之內，必下此城。但正如日本戰史所述：&ldo;敵人之守將方先覺將軍，為一號驍勇善戰之虎將，其第十軍之三個師，皆以必死之決心，負隅頑抗，寸土必守，其孤城奮戰的精神，實令人敬仰。我第一日之全力猛攻，竟又被迫無效而終。亙四十餘天之激戰中，敵人尚無一卒向我投降，實為中日戰爭以來之珍聞，如非敵人在長期抗戰中已逐步將遊雜部隊整編為正規軍，則必系我軍之兩次挫敗，使敵軍堅定了必勝的信心！但我軍之此次總攻，若不成功，將何以對陛下！何以見同胞！第十一軍亦將永遠淪為受人卑視的境遇。責任心榮譽感之所驅，全軍將士猶如強攻旅順要塞之乃木軍（南按：指1904年日俄戰爭時期之日軍），生死不顧，用肉體徑向敵人之陣地硬拼。&rdo;[16]從這則記載可以看出，此時已殺紅了眼的日軍同樣只能進不能退，遂決定孤注一擲，來一個魚死網破的最後決戰。
8月6日，中日雙方經過激烈的爭奪拼殺，強悍的日軍第五十八師團作憑藉熟練的攻堅經驗，終於突破衡陽城北一角，並迅速以一部突入市街。在敵機猛烈轟炸下，守軍陣地幾夷為平地，陣地官兵與攻入之敵展開近戰與肉搏，血戰不久全部戰死。日軍乘勢以精銳之師向城內第十軍指揮部所在地‐‐中央銀行急速進擊，守城官兵再度與日軍展開大規模巷戰與肉搏，衡陽頓成一座鮮血噴濺的血城，第十軍無一人不參加近戰與白刃格鬥，無論是炊事員還勤雜兵，都掄著菜刀與燒火棍進入戰場竭力拼殺，慘烈的肉搏持續了兩個晝夜又半天之久。
8月7日，日軍調集重炮、野山炮百餘門齊向衡陽城猛烈射擊，橫山勇再度下令強行總攻，欲一舉攻克城池。蔣介石深知衡陽戰況已到生死存亡、千鈞一髮之際，特督令援軍戰車部隊急進增援，並電第十軍告以&ldo;援軍明日必到衡陽，決不延誤&rdo;。延至下午3時，衡陽城內仍不見援軍到達，此時守軍支撐已到極限，方先覺在徵求手下幾位高階將領的意見後，向蔣介石發出了最後一份電報：
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，刻再無兵可資堵擊，職等誓以一死報黨國，勉盡軍人天職，決不負鈞座平生培育之至意。此電恐為最後一電，來生再見。
職?方先覺率參謀長孫鳴玉，師長周慶祥、葛先才、容有略、饒少偉同叩[17]
電報發出後，方先覺巡視部隊已過，回到指揮部決心自戕，當手槍對準太陽穴之際，兩個副官撲上來把槍打掉，眾皆悲泣，一面組織傷兵殘將繼續阻擊，一面仍幻想有天兵突降，挽狂瀾於既倒。
蔣介石透過空軍偵知衡陽城已岌岌可危，約晚7時接到方先覺發來的電文，悲愴中幾乎暈倒。於絕望中，口述&ldo;祝上帝保佑你們&rdo;[18]七字電文，而後一聲長嘆，整個身子靠在椅背上，頭偏於一旁，無力地閉上眼睛不再言語。站在蔣介石一邊的侍從室第六組組長兼軍統局幫辦唐縱，在當天的日記中記載，六組首接方先覺來電，&ldo;讀後不禁闇然神傷，熱淚奪眶！查衡陽自六月二十六日敵軍迫城至本月八日止，達四十四天，我援軍始終不能攻達衡城，致守城士兵全軍玉碎，痛嘆無已！&rdo;[19]
另據《總統蔣公大事長編初稿》記述：
迄黃昏時據空軍偵察回報：&ldo;城西北角似有戰事，其他符號則仍指向西南，表示敵正進攻中雲
