出于熟悉攻击路线和守军战术的考虑，横山勇以68和116师团的3个主力联队为第三次攻势的先头部队。
日军黑濑133联队、儿玉120联队与针谷逸郎218联队，兵力仅剩下原编制数的1\/4，而他们面前的对手也在40余天坚守中伤亡殆尽。从第三次攻势一开始，相互拼杀的双方就同时可以使用“垂死挣扎”这个词来形容了。
4日、5日两天激战，黑濑联队3名刚刚代理大队长的军官全部阵亡。
联队攻击的大西门阵地第3师守军仿佛打不死、死不完似的。5日傍晚，黑濑将刚穿了两天的少将军服脱下来，亲手叠得整整齐齐，打在行军背囊中。他集合起联队全体残兵200余人，自己举着联队军旗，准备进行最后一次冲锋。
士兵们从联队长的表情中感觉出这次冲锋的含义，纷纷互相托付后事。他们三五成群地围在一起，齐声大喊故乡的一个村庄或一座山的名字，然后回到队伍之中。
黑濑平一少将亲率的队伍刚要出发时，师团司令部的一名参谋赶来了解情况，见此情景后立即打电话报告师团长岩永旺。岩永旺考虑这次攻击行动除了表示帝国军人的忠诚和勇气，对摧毁守军阵地并无多大意义。他指示黑濑，于6日清晨在航空兵配合下发起进攻，取消了这次黑濑在事后称之为“悲壮的决一死战”的进攻行动。
儿玉忠雄大佐的120联队在4、5两日进攻预10师防守的天马山与西禅寺阵地。中国官兵利用居高临下的地势频频以手榴弹大量杀伤敌人，而守军的工事则在日军直瞄火炮的轰击中一处处被摧毁。5日下午，日军涌上西禅寺阵地，两国士兵混战成一团，一时间血肉横飞，天地变色。儿玉向岩永旺报告战况时说：“西禅寺作战中出现了现代昼间作战中很少的悲惨壮烈的场面。”
儿玉忠雄大佐入伍前是文科大学的高材生，是侵略战争将这个具有诗人气质的青年变成一名铁血军人。在回忆起这场作战时他说：“从肉体上消灭敌人，这本来是达到战争目的的手段，为此，我方的死亡也必不可免。但是，当战争之轮飞快旋转起来，死亡便成为目的，仿佛一切都只是为了让更多的人死去。当战争终于显露出它的冷酷本性时，政治家和军事家对它无能为力。”
8月6日凌晨3时，刚刚投入衡阳作战的58师团突破了城区西北的守军第3师小西门阵地，并紧接着向周围扩展。5时，邻近小西门的体育场阵地守军全部阵亡，日军由这里突入城内。守军在早已构筑好的屋顶、路口工事中进行抵抗。一支支枪口从黑暗中伸出，一颗颗手榴弹从想不到的地方飞出来爆炸。日军不得已停在原地，待天亮后再行进展。
上午10时，横山勇接到报告，57旅团长志摩源吉少将阵亡。
志摩源吉旅团参加过侵华战争的多次重要战役，在中日两军中都颇有名气。8时20分，志摩源吉亲往第一线督战，他看到部下在守军手榴弹攻击中伤亡惨重，指示士兵们要勇敢地扑到守军投来的手榴弹旁，在爆炸前将手榴弹拾起扔回去。志摩源吉在攻击分队士兵中亲自示范，连续扔回四颗将爆的手榴弹，士兵们激动地高声欢呼起来。
就在志摩源吉起身离开时，守军的机枪扫射过来，两颗子弹击中面部，这位战功卓着的年轻将领当即气绝。
几天后，黑濑平一填补了这个空缺。
8月7日，坚守衡阳的最后一天。
将一群群日军射倒在地的，已是最后的士兵们射出的最后的子弹，而掀起一阵阵春雷般手榴弹爆炸的，则多是浑身无力的士兵们流血的身躯和伤残的肢体最后的一搏。
凌晨3时，190师568团2营演武坪阵地被日军突破。5连连长罗夫及全连所剩20余人全部牺牲。
1小时后，该团3营阵地被攻破，率团作战的副团长李适及阵地上30余人全部牺牲。
拂晓，青山街3师阵地，7团团长鞠震环、3营营长王金鼎及所率官兵全部牺牲。
上午9时，日军从城北、城西冲进城里。战区督战官兼炮兵指挥官蔡汝霖已经不用望远镜就能很清楚地看到端着机枪和步枪的日军士兵了。他知道大势已去，下令各炮连将各种火炮全部炸毁。
这一天，预10师29团连长符气东第二次受伤。日军远程炮弹片打在他头部太阳穴处，鲜血涌流，他被士兵们抬下阵地急救。苦战至伤，他的连队伤亡大半，几天之前他即被日军掷弹筒弹片打伤臂部，他坚持带伤指挥，直到这时。
听说日军从北门入城，全城5个医院和医疗急救所中数千名重伤员悲愤欲绝。在整个抗战期间，因为救治条件差，抚恤善后没有保障，士兵们都有不怕死而怕伤残的心理，守城47天，城中药品早尽，伤员们一批批死去，坚持活下来的人千难万难苦盼援军入城解救。他们心中清楚，一旦城破，守军幸存者被日军俘虏，那些身强力壮的人一般被强迫去当苦力，或许尚有一丝生机，而伤员们则断无活路。自7日下午，聚集在各处的伤员们不再忍痛不叫一声苦，低沉的呻吟和哭泣传出很远，如湘江潜流，凄惨至极！
中午，方先觉在中央银行地下室军指挥部召集各师长开会。
3师师长周庆祥、190师师长容有略、预10师师长葛先才、暂54师师长饶少伟、战区督战官蔡汝霖等人各抒己见，但都是有心杀贼，无力回天。
突围？城中数千伤员，城外四面日军，如何走得脱？
再战？弹已尽，人将绝。剩下的士兵有气无力，就是拼刺刀也只有挨刺的份了。
军长方先觉，这位人高马大的汉子，身经百战的将军，此时伏在桌上哭泣起来。众将领黯然无语。
炮弹的落点朝军指挥部逐渐推近。方先觉镇静下来，擦去眼泪，对众位将军说：“第10军血也流了，苦也吃了，如今大势已去，但我们做人做事还是要讲个有始有终。”
由他口授，参谋长孙鸣玉记录，向蒋介石发出了最后一封电报：
敌人今晨由北城突入以后，即在城内展开巷战，我官兵伤亡殆尽，刻再已无兵可资堵击，职等誓以一死报效党国，勉尽军人天职，决不负钧座平生作育之至意。此电恐为最后一电，来生再见。
电报署上方先觉、周庆祥、容有略、葛先才、饶少伟和孙鸣玉的名字。各位将领传看一遍后，由参谋处长饶亚伯亲自送往隔壁电台室，目睹机要员译为密码、发报员拍发出去。
电报发出后，方先觉指示：销毁密码本，炸毁电台。
当那部昼夜不停地工作了47天的电台在一颗炸药炸毁的巨响中化为碎片的同时，两名发报员之一、20岁的常州青年柳凤来昏倒在地，一口鲜血从他口中流淌出来。饶亚伯踢了他两脚，不见醒来，对孙鸣玉说：“这是累的。”
而由柳凤来拍发的那份电报，却已飞越千山万水，飞向历史深处。
蒋介石在1944年8月7日即当天的日记中写道：“悲痛之切，实为前所未有也。”
8月10日，蒋介石发布近千字通电，命令全国军队于8月20日上午6时各在驻地为衡阳殉国守军默哀3分钟。电文中说：
……览电（即“最后一电”——笔者注）肃然，至深悲痛，其慷慨就义，视死如归，可谓壮烈极矣！现方军长本人虽生死未卜，而其生平不屈之志，实为全国同胞所深信。我第10军全体官兵对于此役，不仅发挥我革命军人以一当十、以百当千的精神，亦且实践作战至最后一兵、最后一弹之训条，洵无愧于为我总理之三民主义之信徒，与革命军人以身殉国之楷模，足重我民族存仁取义，千秋万世之光辉。……我全国官兵应以第10军此次在衡阳壮烈牺牲为模范，共誓必死之决心，益励奋斗之精神，同仇敌忾，为已死同胞复仇，为国家民族雪耻，有我无敌，前仆后继，以达成神圣之天职，而争取抗战最后之胜利！
衡阳守城，兵败城破，但它对全国人民心中掀起的波澜并不亚于一次胜利。舆论再次掀起“衡阳热”、“第10军热”、“方先觉热”，全国军队普遍开展了以第10军为楷模、誓死杀敌的活动。一种悲愤之情在中国大地弥漫。
如果历史的脚步戛然停止在这一刻，那该有多好！
但是，没有。