由于日军主攻方向始终保持于城西南郊，守军为加强该方面的防守、彻底形成重点，重新调整了部署:令第3师(欠第7团)南移占领天马山、岳屏山、接龙山、五桂岭高地，建立第二线阵地;第3师所遗城西北防务，除易赖庙的前街及青山街、杨林庙主阵地仍由第7团防守外，其余均交由第190师接替;湘江西岸的警戒，以铁炉门为界，以南由暂54师负责，以北由第190师负责。

中路日军进攻衡阳期间，东路日军第3、第13师团连续攻占攸县、安仁、进抵耒阳;西路日军第40师团亦已攻占衡阳西北仅35公里的渣江，衡阳守军已完全陷于孤立。但在西路日军后方，守军第30集团军曾实施反击，6月28日收复萍乡，7月4日进攻醴陵，几乎全歼日军骑兵第3联队。日军第27师团等部队前来增援，于10日又夺占醴陵。

日军第68、第116师团经休整补充及加强炮兵后，于7月11日上午开始第二次攻击。此时第68师团已由堤三树男接任师团长。第116师团的120联队在其飞行第44战队、野炮兵第122联队及独立野炮第2联队掩护下，向城西南预10师第一线阵地要点虎形山发起猛攻。

激战至12日9时，守军伤亡重大，阵地为日军突破。第3师抽出1个营增援反击，经白刃战后，营长阵亡，士兵死伤四分之三，未能收复阵地，退守西禅寺。

激战至15日，第一线阵地多处被突破，第二线增援部队经反复争夺，又收复一些要点，两线阵地犬牙交错，战斗极为激烈。第10军为加强城西南的防御纵深，又令第190师在接龙山、雁峰寺、中正堂一带建立第三线阵地。迄16日，第一线阵地枫树山、军舰高地等俱为日军突破。第10军遂将第一线阵地全部放弃，以第3师及预10师残部合力防守第二线阵地。

此时，城西郊日军第57旅团亦已推进至距小西门不足1000米之处。由于守军防御正面缩小，所以人员伤亡虽众，防守强度和火力密度却减少甚微。7月17日、18日，日军进攻势头下降。经连日激战，日军主攻方向上的第116师团第120联队联队长和尔基隆大佐及第133联队的3个大队长相继被打死，每大队所余兵力不足100人，而且弹药已严重不足，攻坚战斗已难以为继。日军第11军不得已再次下令于19日起暂停攻击。

军事委员会虽早在日军围攻衡阳之前即已令王陵基指挥第72、第58、第26军，杨森指挥第20、第44军，欧震指挥第37军、暂2军，王耀武指挥第73、第79、第99、第100军等夹击日军，后又数次电令各兵团乘敌后空虚，击破进犯之敌和扫荡当面敌人，令李玉堂、王耀武速解衡阳之围，但衡阳外围各兵团在东、西两路日军的阻击下有时连守都守不住，被迫不断后撤，当然更无力击歼两路日军、解衡阳之围了。