所以此次日军进攻长沙、衡阳的大会战，将是衡山个人军旅生涯最大的挑战了。由于日本大本营与中国派遣军司令部对于一号作战计划的湖南之战，给予全力的支持，使得衡山可以指挥的部队高达八个师团又一个旅团，单是在兵力上，日军就拥有前所未有的绝对优势。因此衡山在详细检讨过去三次长沙作战的得失之后，拟定出一个全面包抄薛岳部队的计划。过去日军进攻长沙的部队兵力，最多是三个师团加上特种作战部队，作战支持的准备，也是以两个星期为度。但这次横山勇的作战计划，动员的总兵力是超过八个师团（三十六万人以上），他更将日军的作战纵深，根本延伸到衡阳，所以日军在兵力的优势以及作战计划的规划上，都早已经超越薛岳过去防御长沙的“天炉作战”之架构。衡山的作战计划是，利用五个师团，作为第一线兵力，三个师团为第二线机动兵力，进行全方位的南攻。而将主力放在左翼的攻击，沿着湘、赣交界南下，大迂回长沙的东南方，先攻占浏阳，再包抄长沙后侧。横山判断薛岳的主力就是在此待命出击，因此日军的布阵，以打击长沙外围的华军为主攻对象，然后再进攻长沙城。日军中路的攻击则是依照传统的进攻长沙模式，沿粤汉铁路南下，击破华军正面防线直逼长沙。另外派军由洞庭湖南下，包抄湘江西岸，从侧后方进攻长沙的制高点岳麓山阵地。由于横山掌控绝对充裕的作战兵力，因此决定在日军包围长沙的同时，也对衡阳进行长距离的奔袭，乘华军全力在长沙作战之时，出其不意地一举攻占衡阳。
而横山勇还设法进行大规模的欺敌行动，有意无意地透露出日军的作战目标，有可能是沿着长江西上，进攻重庆，或是准备再度进攻常德。由于横山对于这两个战略要点的攻击，都有实战的经验，所以也让重庆方面不得不加以重视。蒋介石保留卫戍部队放在第六战区，作为保卫重庆的准备，而没有全力支持第九战区薛岳的部队。但是蒋介石仍然认为，日军以打通粤汉铁路的战略为主，因此特别派副总参谋长白崇禧，前往第九战区，协助薛岳布阵对抗，但是由于“长沙之虎”薛岳，已经在防卫长沙的作战上，三战三胜，对于防卫长沙，有着相当的自信与执着。他相信史迪威的美军判断，认为日军的兵力有限，不可能对长沙进行更大规模的作战，同时也认为自己的天炉作战，已经是天衣无缝，所以决定以不变应万变，决定仍将在长沙决战，再次合围进攻的日军。可是薛岳手上的部队，也已经发生员额与装备不足的问题。这不仅是当时华军普遍的现象，特别是第九战区的军队，常德会战之后，战力都还没有恢复，加上最信任薛岳的上司陈诚，已经因为史迪威事件的影响而失去大权。在政潮冲击之下，蒋介石又重用何应钦来防止军中将领的“叛变”，而何应钦与薛岳以及粤系将领，本来就有不愉快的经验，薛岳实际上又功高震主、锋芒毕露，何对薛当然相当的“感冒”，更加要给薛岳一些不方便。于是在大战前夕，第九战区的兵员与补给，不但没有优先得到补充，反而是能拖就拖。从客观的角度来看，一支精实、充裕的日军与虚弱内斗的华军对阵，双方的胜负，在未战之前，早已有了定数。白崇禧曾经建议薛岳，考虑将决战南移到衡阳，以拉长日军的补给线，加强华军在衡阳的防务，但是薛岳没有完全接受，仍然决定在长沙与日军对决。
横山勇决定在五月二十六日，也就是日军在对马海峡大破俄罗斯“波罗的海舰队”的历史光荣纪念日，在湖南发动对华军全面的攻势作战。装备充足的三十六万日军，在优势火力的支持之下，分成七路扑向华军阵地，来势之凶猛，远远超过华军的预估。日军精锐的第三、十三师团以及二十七师团，从左翼（东线）先攻，一举深入地插进平江，再突进浏阳，直捣薛岳预控的反击部队基地。接着在中路的日军第六八与一一六师团，分成六路强渡新墙河，第三四与五八师团随后跟进，以压倒性的优势兵力，连续击破华军的层层防线，直扑长沙；第四十师团与五、十七旅团，渡过洞庭湖，沿湘江的西岸，进攻长沙的西方。日军这样全面的攻势，使得华军在湖南的阵地，全都遭到日军猛烈的攻击，薛岳在长沙东南所部署的反击部队，更是首先陷在日军的多重包围攻势之中，天炉作战计划就完全失去了应变的能力，湖南成为日军全面纵横的战场。
这时候在缅甸原始丛林指挥作战的史迪威，在看到华军全线溃败之后，才“想起”了他还是中国战区参谋长。他于六月八日突然出现在重庆，幸灾乐祸的宣布“中国陷入危机”，接着立刻派员督导美军从桂林的训练中心进行撤退，同时不断设法干预陈纳德的空军后勤支持，并且开始推动接掌华军指挥权，以及寻找可以推翻蒋介石军政领袖的活动。史迪威完全不管这个中国战区作战惨败的灾祸，是谁作出严重错误的情报判断，以及致命的错误作战部署？到底是谁仍在制肘空军出击日军的任务？史迪威居然认为，只有他接掌华军的指挥权，才能在中国地区击败日军，而其它任何对于战场的补救与支持措施，根本无济于事。
由于薛岳军力不足以及布阵错误，加上军方上层的严重内斗，在日军绝对优势兵力的多重攻势与连环包围之下，华军在湖南的整个战局失去了控制。长沙外围的战略据点，很快地就先被日军攻占，六月十四日，日军攻占浏阳，截断了薛岳反攻长沙的外围作战部队；次日陷宁乡，长沙于是受到日军全方位的包围。中国第四军已无法用传统的防御方式，来守住长沙；原本在长沙外围待命的机动部队，先遭到日军的猛攻，已不可能支持长沙的防御作战。这时候，另外一支的日军，更成功地攻占了岳麓山的长沙炮兵制高点。此时守城的华军与敌军的兵力悬殊，制高点又遭日军攻占，外围援军更已被日军主力猛攻而自顾不暇，因此日军终于在六月十八日攻下长沙，而打破了华军过去长沙作战不败的记录。蒋介石在情急之下，下令枪决突围而出的长沙第四军军长张德能，但是仍然无法挽回湖南战局溃败的发展。日军作战计划的另一步棋，就是同时奔袭衡阳。横山勇在日军在还没有攻陷长沙之时，就已经下令第六八师团与一一六师团，绕过长沙外围，马不停蹄的沿着湘江两岸，直接扑向衡阳华军阵地。此时薛岳所指挥的主力部队，则向江西方向败退，根本无法拦截日军的长驱直下，整个第九战区的防卫系统为之瓦解。
这时湖南前线的作战陷入危机状态，蒋介石无法把拥有美式装备以及员额充足的八个军部队，调回东线作战，而眼睁睁地看着自己手下战力不足的部队，在湖南遭到致命的打击。事实上，日军指挥官横山勇最为担心的，就是蒋介石会把这八个军调回，在湖南与日军决战。横山也担心美军会调动一切的空军，支持华军作战，对自己脆弱的补给线进行全面切断的空中攻击。
但是这两个担心都没有发生。因为中国战区的参谋长史迪威，极力阻止中国战区进行反击，并且抬出罗斯福总统与马歇尔助阵，主张当前反败为胜的要务是，由史迪威接掌华军指挥权，最好能够顺带推翻蒋介石政权。由于华军接连在河南与湖南战场的惨败，史氏又早已在重庆政府中，进行各种掺砂子、挖墙脚工作，使得前线部队急于等待后方明确的指挥，以及派军援助之时，后方却陷入全面的权力斗争、指挥系统混乱、以及后勤失控的状况。这时候，拼命为华军出力的，还是指挥美军第十四航空队的陈纳德将军。他设法透过管道向华盛顿反映中国战区所面临的危机，以及史迪威利用机会夺权的真相，无奈当时华盛顿与全球的注意力，都集中在诺曼底登陆战的胜利，因而对于中国战区的恶化逆转，产生极大的轻视与厌恶。西方主流意见于是认定：“果然是史迪威有远见，早就说蒋介石的华军不堪一击，现在得到证明了吧！不仅如此，还要连累美军替蒋介石收拾残局。”这里也不能不提陈纳德的美军第十四航空队，在这场逆势作战中，奋不顾身的英勇表现。尽管史迪威把能够动用支持湖南战场的空军战机，缩小到只有一百五十架，而且在油、弹的供应上，尽可能做到百般刁难，同时湖南的天侯又豪雨不断，影响到战机出击，但是陈纳德仍然想尽一切的办法，率领部属出动战机，全力攻击日军的补给线与阵地，为支持华军作战争取更多的油弹与补给品。美机飞行员平均每天出击四次，中间休息的时间只够吃饭与听取攻击目标的简报而已，战机沿着湘江的航道低飞攻击日军，甚至低到连螺旋桨都溅起水花；美军二十三大队的四个中队长以及半数的飞行员被击落。十四航空队在五个星期不眠不休的支持作战中，击落日机一百二十架，炸毁日机九十架，造成日军补给线多次的中断。从长沙到武汉的日军补给线及仓库，一路被炸，火焰冲天，燃烧长达一个星期以上。夜间美机甚至可以就着火光，无须导航而直飞汉口，进行轰炸。日军承认，在湖南的作战之中，约有十分之一的兵力，是美机攻击下致死的。假如陈纳德能够得到三百架战机的增援，又有充足的后勤供应7，应该可以全力摧毁日军部队的补给系统，那么战局会有极大的变化。
34.5 鬼泣神嚎的衡阳保卫战
日军以为在长沙会战中，已经将华军第九战区的防御系统，予以彻底的击溃，虽然没有围歼中国的主力兵团，但是华军在受到重挫之后，已失去再战的能力，对于日军进行长距离奔袭衡阳的作战，横山勇更以为把握十足。