日军自称这是侵华日军自“七·七”事变后，进攻中国一个地区所使用规模最大的重兵集团，其兵力共约17万人，分别部署于华容、岳阳、崇阳地区，并分为两线：其第一线5个师，部署于华容、崇阳之线；第二线3个师，部署于监利、蒲圻一线。
中国第9战区根据3次长沙会战的经验教训，策定以第30集团军、第27集团军、第24集团军等部，各以一部利用既设阵地，节节予日军以打击，迟滞其前进，主力集结于后方，诱敌于有利地区实施包围攻击，然后乘其疲惫而予各个歼灭，粉碎日军打通粤汉铁路之企图。
5月26日，日军第11集团军分3路发起进攻。其左翼第13、第3师，由湖北崇阳南下，向中国守军第72军防御阵地实施攻击，攻占通城后，于6月1、2日先后侵占长寿街、平江；正面之日军第68、第116师，由岳阳东南地区发起进攻，突破中国守军第20军新墙河南岸阵地后，于30日直趋泪罗江北岸；其右翼第40师及独立第17旅由华容渡洞庭湖向沅江第99军阵地进攻。6月3日，日军第2线兵团相续加入粤汉路正面作战。至6月6日，日军进至沉江、捞刀河、永安市之线，一部攻占湘阴城。
6月7日，日军左翼第3师、第13师进抵古港附近，遭到中国守军第72军、第58军、第44军及第20军攻击，毙伤其一部。日军向第58军实施反击，11日，突破石湾附近中国守军阵地，继续向南突进。中国军队第72军及第58军协同向日军实施尾追截击。第20军及第44军则转向创阳阻击日军进攻。
6月11日，日军右翼第40师及独立第17旅一部，分两路渡资水，一路进攻宁乡，一路南攻益阳。与中国守军第73、第99军展开争夺战。14日，中国军队第73军尾击南下之日军。同时，第24集团军对宁乡之日军展开攻击，连续激战4日，歼日军一部。正面日军主力以优势兵力进攻浏阳，与第44军激战9昼夜。中国守军退至浏阳南郊。同时，日军右翼之第34师及第58师渡浏阳河，直逼长沙。6月16日，日军第34师由湘江以西向岳麓山开始攻击。随后，第58师由长沙东北至东南部，对守军第4军展开围攻。17日长沙外围红山头、黄土岭失陷，岳麓山主阵地亦破日军突破。18日长沙失陷。
日军攻占长沙后，继续向粤汉、湘桂铁路交点和重要战略基地衡阳逼进。
日军左翼第3师、第13师，由醴陵地区南下，于6月24日攻占攸县，直趋安仁，并向衡阳东南实施迂回。中国第9战区急调第20、第26、第37、第44军等部队，赴茶陵南北地区迎击日军。7月2日完成西进部署，开始攻击，8日克复攸县，并包围耒阳日军。同时，第58军亦克复醴陵。日军第11集团军随即以其第27师等部加入战斗，7月10日再陷茶陵、耒阳。7月29日，占领醴陵之日军东陷萍乡，南趋莲茗。中国军队再次实施反击，夺回萍乡，对耒阳附近日军加强围攻，并以一部挺进渡过丰河，策应衡阳近郊之作战。
日军实施正面进攻之第116、第68师，在两翼策应下，沿粤汉铁路南下，迅速向衡阳市郊突进。6月26日，第68师占领衡阳机场，主力进至衡阳以南，与第116师形成由西面和西南围攻衡阳的态势。6月28日拂晓，日军对衡阳发动大规模进攻。中国守军第10军（辖第3、第190师、预备第10师及野炮一营等）英勇奋战，顽强抗击。至30日战斗愈加激烈。日军连续发起进攻，均被中国守军猛烈炮火击退，日军伤亡惨重，第68师师长佐久间中将亦负重伤。中国军队步、炮、空协同作战，大量杀伤日军部队，日军地面攻势受挫，以航空兵对衡阳实施昼夜轰炸，并投下大量燃烧弹。7月3日至6日，衡阳城内昼夜燃烧，中国守军的粮弹仓库大部分被焚毁。7月11日，日军开始向衡阳发动第二次进攻，并将主要突击方向改向衡阳西南方向，逐步紧缩包围圈，但进展仍不顺利。日军遂在空、炮火力支援下，连续攻击，并施放毒气，但守军寸土必争，阵地形成犬牙交错，战斗至为惨烈。日军夺占了部分阵地，双方伤亡均重。日军难于发展进攻，遂于7月20日再次停止进攻。
在此期间，奉命驰援衡阳之中国第62军，其先头第151师，已通过何家桥、许家冲之线，向欧家町攻击。19日第157师亦攻抵黄泥坳，日军第40师渡蒸水增援，经激战后，第62军先头攻抵衡阳火车西站，惟第79军进展缓慢。第62军受日军集中优势兵力的反击，且弹药缺乏，于22日又撤退至硫子坑地区。
8月4日，围攻衡阳之日军开始第三次进攻，在航空兵和炮兵连续实施火力袭击后，实施昼夜轮番攻击，激战至6日，日军由西北郊突入城内，守军与日军展开巷战，不断击退其进攻。在此关键时刻，守军第10军军长方先觉令全军放下武器，于8月8日率所属各师长向日军投降，长衡会战宣告结束。中国军队为保卫衡阳的广大官兵流血奋战48天的成果，被可耻的投降行动所出卖，实为痛心。
此次作战，中美空军集中轰炸机68架，驱逐机113架，夺取制空权支援陆军作战，并攻击日陆、海军，共出动各种飞机4500余架次，击落及炸毁日军飞机120余架，毁敌船1000余只。使日军损失严重。
（三）桂柳会战
1944年8月上旬，日军攻占衡阳后，为贯彻其打通大陆交通并破坏中国空军基地之目的，乃继续发动桂柳作战，依照其“一号作战”计划，开始桂（林）柳（州）的作战准备。日军大本营为加强对湘桂作战的指导，统一对第11、第23集团军和防卫武汉附近的第34集团军的统一指挥，8月26日，新设立了第6方面军，由冈村宁次任司令官，并将司令部置于衡阳，随即开始集结部队，储运物资。日军以其第11集团军（辖第3、第13、第50、第58师等部），约10余万人，集中于湘桂路沿线及其以南地区。以其第23集团军于江西方面，集结第104师、第22师及独立第22旅等部，约3万余人，另于雷州半岛方面，集结独立第23旅4000人，准备以分进合击，向桂、柳地区发动进攻。日军第11集团军作战设想是：按照战备进展情况，尽早开始进攻，先以速战攻下桂林，再向柳州方面挺进，与第23集团军策应，围歼敌军于柳州附近。
中国第4战区以第16、第27、第35集团军共9个军担任桂柳等地区的守备，并策定在湘桂铁路方面迟滞日军之进攻，在西江方面先采取攻势，各个击破进攻之日军。因日军主力使用于湘桂路方面，第4战区乃决定以湘桂路方面为防御重点，阻击日军推进。先以李玉堂兵团第62、第79军等部于湘桂正面，迟滞日军行动，并以前来增援之第53军向全县推进。以第27集团军取道湘南，侧面阻击日军前进。以第35集团军迎击西江方面之日军。桂南方面由地方团队担任守备，另以第31等军，于桂柳附近，构筑工事，准备固守。
9月上旬，在日军第6方面军指挥下，第11、第23集团军分别从湖南、广东向广西桂、柳地区发动进攻。日军第11集团军以第3、第13、第37、第40、第58师等部队沿湘桂铁路及其两侧进犯，突破第93军防御阵地，9月11日占领黄沙河，14日占领广西东北要地全县，打开了广西的东北门户。
中国守军沿途已无险可守，日军可直插桂林。接着，日军连陷兴安、灌阳，于10月底进至桂林以南之良丰、阳朔等地，对桂林侧后构成包围态势。
自1944年8月22日至11月9日，中美空军为支援中国地面部队作战，主要以桂林、柳州、昆明为基地。其出动1386架次，在空战中击落日机34架，击伤10架，炸毁停在机场的飞机6架，炸毁车辆400余辆，大小木船578艘，破坏阵地、车站、库厂、指挥机构50余处，桥梁11座。
9月下旬，日军第23集团军以第104、第22师及独立第22旅由广州附近之清远、三水、佛山、江门及台山等地，沿西江及其两侧向西进犯，连陷怀集、肇庆、云浮，德庆等地，9月24日占领梧州。日军第23军另以独立混成第23旅，由雷州半岛廉江北犯，进占陆靖、容县，9月28日，与由西进之第104师占领丹竹、平南，由东南方面对桂、柳形成攻击之势。此时，第4战区调集第35集团军之第64军及桂绥第一纵队，对桂平、蒙墟之日军攻击；以第27集团军之第37军（一个师）由蒙山向平南攻击，予以策应。
10月20日，在空炮火力支援下，对桂平地区日军独立混成第23旅开始攻击，突破其阵地，至28日，突入蒙墟街区，与日军展开激战。日军为稳定其态势，以第104师突破金田村掩护阵地，对攻击部队左翼构成威胁，反攻被迫停止。
11月4日，日军第58、第40师对防守桂林的第31军之第131师、第46军之第170师等部阵地发动进攻。5日，日军多次使用毒气，攻击城东郊七星岩阵地，守军伤亡惨重。7日，日军在炮、空、坦克支援下，由西、北、东三面攻城，突破城防阵地，守军与日军展开巷战，至11日，守军部分突围，桂林失陷。
柳州是日军攻击的另一个重要目标。