先说湘江两岸。6月20日，蒋介石以军委会名义电令第9战区各兵团以阻敌深入、确保衡阳为目的，在长沙到衡山74公里，从衡山到衡阳120公里的广阔区域，从东西两翼夹击日军。具体的战略部署为：中央部位以一部于渌口、衡山地区持久抵抗，东翼主力由醴陵、浏阳向西，西翼主力由宁乡、益阳向东，形成三面夹击之势，歼灭深入之敌。
按照这—作战计划，第9战区司令薛岳亦将作战计划作了进一步修改、补充，下达一了系列命令：“国军以阻敌深入、确保衡阳为目的，以一部于渌口、衡山东西地区持久抵抗，以主力由醴陵、浏阳向西，由亍乡、益阳向东，夹击深入之敌而歼灭之。”此节几乎为照搬军委会指令，以下则为具体部署：
战区副司令长官兼第30集团军总司令王陵基指挥第72、第58、第26军迅速击破醴陵东北地区之敌，攻击日军主力左侧背；
战区副司令长官兼第27集团军总司令杨森指挥第20、第44军先击破醴陵以北地区之敌，尔后转移到王陵基所部左翼，协力向西攻击日军；
第27集团军副总司令欧震指挥第37军、暂编第2军及第3师在渌口、衡山间坚持抵抗，阻敌深入；
第24集团军总司令王耀武指挥第73、第79、第99、第100军及第4军残部向湘江东岸敌后反击；
第27集团军副总司令李玉堂指挥第10军、暂54师固守衡阳；
第62军黄涛仍为军委会直辖的预备部队，控置于衡阳西南地区待命。这一作战部署，最终避免了第9战区主力被歼灭的悲剧，并形成了双方在湘江两岸对峙的局面。
面对国军如此阵势，日军第11军遂转入追击态势：“在以向衡阳的挺进线为起点，连结醴陵、萍乡、攸县、安仁约30至60公里的外围一线，展开了对重庆军的搜索歼灭战”。
故此战事又开。湘江东岸的战事以醴陵一带的争夺最为激烈。自6月中旬起，日军以精锐第3师团、第13为主力尾追退向醴陵、萍乡方面的国军第26军等部。
7月1日，第13师团一部攻陷醴陵，次日即向萍乡方向实施追击。第3师团除派出第68联队向攸县挺进外，师团主力亦向萍乡进击。
醴陵失陷后，第30集团军总司令王陵基于20日组织第26军为基干，以第20、第72、第58军各一部互相协同全线反击，“从湘东、美田桥附近”向醴陵进攻，激战三日。但在日军的穿插进攻下，三军各部处处告急，反攻行动不能统一，一时无法奏效。
战至7月4日，滇军第58军以全部主力3个整师对醴陵日军发起猛攻。守备醴陵的日军宫崎部队（以骑兵第3联队长宫崎次彦大佐指挥的联队和步兵第34联队的两个中队、山炮兵、追击炮各1个中队为基干）遭受重创遂将阵地收缩到醴陵周围，又急忙从株洲和衡阳附近抽调1个辎重兵联队和1个步兵大队增援醴陵。4日夜半时分，滇军第58军开始率先攻打塔岭，继而攻击仙岳山。塔岭等高地争夺战打得异常激烈，日军损失颇重。仅7月5日和6日两天的战斗，日军“骑兵联队的副官、两中队长和大部分小队长，均负伤或阵亡。为挽救危局，日军第13师团主力被迫经攸县、安仁、耒阳一线，最终撤向耒水西岸。日军总部又增派兵力，将原在浏阳集结的二线部队第27师团投入战斗。故此自6月中旬后，醴陵、攸县、萍乡、安仁、茶陵等地大多几经易手。
早在7月1日，蒋介石就判断日军“似有夺取衡阳，打通粤汉路并窜犯桂林企”，便要求各兵团“乘敌深入，后方空虚，用正面阻止及侧背猛攻而击破之”，并提醒各部“切忌分散兵力，处处设防，追随敌之行动，而自陷于被动地位”。战后证明这一命令完全正确。而日军第11军则要求各部抓住时机，围歼醴陵、安仁附近敌第9战区军的主力。待援军到达后的兵力部署为：第34、第27师团在醴陵一带，第13、第3师团各一部在安仁一带，第3师团主力在茶陵，分别完成围歼中方第58、第72、第37、第20、第44等5个军共约18个师的任务。
但日军在国军不断的狙击和反击下，各主力师团亦长时间在山岳地带左突右冲，又遭到中美空军的不断打击，后勤补给十分困难。7月中旬，仅用于开辟汽车道路的日军就有两个多师团，大大影响了部队的作战的机动性。其围歼第9战区主力的图谋亦未能得逞。国军也没能击破日军主力，最终双方都未完成自己的战略目标。
国军也取得了不小的战果。在湘江西岸，日军第40师团主力于6月底开始向永丰挺进，7月3日即攻陷该地。10日，第58师张灵甫部及第19师唐伯寅部向永丰发起反攻。在空军的密切协同下，官兵奋勇搏战，国军逐区占领永丰市，日军40师团残部据守摒林、双峰山、金田桥、沙田铺一线，后奉命开往衡阳。
“是役毙敌三百余，掳获步、机枪二十九支，我伤营长一，伤亡连、排长九员，士兵二百余名”。永丰光复。
在此之前，国军第15师曾向盘踞湘乡城的日军猛烈攻击，15师第45团一部千余人冲入城内后与守敌约一个大队500人展开“白刃格斗，敌我伤亡均重”，该团“伤毙敌约四百余，国军亦阵亡45团2营长李熙绩及连长两员，伤连长以下官长八员，伤亡士兵百六十余”。12日凌晨，该师第45团和第43团分别向湘乡城、朱津渡和岳麓山发起突袭，第43团一部曾冒着敌猛烈炮火突入云麓宫。“敌百余被我白刃格杀，毙伤过半，遂狼狈逃溃，当俘敌34师团218联队山崎少尉一员，并获步枪甚多”。
此外，日军又令在上海方面的第13军“在金华正面采取攻势策应第11军初期的打通粤汉线和扫荡湘江两岸第9战区主力的作战”。自6月上旬开始，第13军便令以第70师团为主力的共8个步兵大队为基干部队，开往龙游、衢县方面，企图歼灭当面的国军第3战区部队。但在前进途中，70师团不断遭到国军的阻击，至汤溪镇至龙游一带，遇到国军第26、第79两个师的顽强抗击。在狮子山高地，国军击毙了第70师团第62旅团长横山武彦少将。
6月12日，日军主力占领龙游县城。同日，国军由龙游西南一带发起全线反攻，毙伤日军大队长以下官兵甚多。此后，日军主力依令不顾伤亡，直扑衢县，在衢县及其西南一带的国军计有第26、第146、第105、第79等约5个师的兵力，准备合围日军，但旋即在日军先发制人的打击下竟全线败退。
6月25日，日军迫近县城，次日“冲入衢县城东南角、随后夺取南门、北门和东门，将败走的国军逼到西北城角，约2000人被歼灭在水边”。此际，日军第11军早已攻下长沙5、6天，并推向衡阳。
上述日军第40、第70师团的作战达到了阻止国军第6、第3战区支援第9战区的战略目标，6月27日开始，第70师团“从衢县附近返回金华及兰溪附近集结”。而位于湘江两岸的日军与第9战区兵力陷入胶着。这样以来，在金兰寺、永丰附近的第40师团最先 “保证进攻兵团侧背的安全”的任务已经完成，所以在7月中旬以后，第40师团主力便开往衡阳附近”。
由此整个湖南战场的中心便移到了战略重镇衡阳，震惊世界的衡阳保卫战开始了。