衡阳东美军机场，应国军第9战区所请，美军50多架P40升空，协助新2军、暂2军一部对日军第58师团进行了突袭。
衡阳东战斗爆发以来，日军一直处于进攻态势，新2军一直采取防守姿态。第58师团没有料到当面国军全军大规模突袭。进攻伊始，第5师团就遭到新2军12门105毫米榴弹炮、30多门75毫米山炮大规模炮击，同时还遭到了美军空袭。新2军进行了步炮协同作战，炮兵火力随步兵推进逐次延伸，形成动态火力网。第58师团措手不及，新2军攻击造成了第58师团重大伤亡。
日军第58师团原本作为攻城巷战专用师团，更侧重步兵攻坚?，步兵单兵火力很强。但师团所属重火力反而比较薄弱，临时调配的12门92步兵炮、6门75㎜野炮在新2军105榴弹炮、75mm山炮面前无招架之力，况且空中还有美军航空队。第58师团师团长毛利末广恨得牙根痒痒，与新2军的历次作战中，新2军最多时动用过4门105榴弹炮、10多门75㎜山炮，他没有想到新2军竟然能如此隐忍。
新2军炮兵一改往日抠搜的个性放开来打，他们旁边就是美军机场，随时可以补给炮弹。第58师团开始倒霉了，以新2军为主力的国军全线进攻，造成日军防线全线动摇。毛利未广顾不得体面，紧急向横山勇请求战术指导。横山勇立即调原先支援湘江以西衡阳战场的第3、34师各一个联队转派到了衡阳东战场，这两个联队到湘江以西还不到3天，又要重新渡过湘江去衡阳东战场。
第58师团且战且退，退过了胡家坪、樟树湾、麻子园一线才堪堪稳住了战线。第58师团切成了两部，一部在东面大树坪一带，一部在南面东阳渡一带。此时日军援军也快到达，新2军也止住了南下脚步，全力构筑南面新阵线，主力向东压迫大树坪日军，日军在大树坪站不住脚，在洡水东面泉溪日军的接应下渡过洡水，与国军隔河相对。
衡阳东这仗打的漂亮，仅用了一个白天的时间，衡阳东防线向南推进了3一7公里。歼灭日军2500余人，还缴获了日军6门75mm野炮、3门92步兵炮以及大量粮草弹药，其中还有数量不少的毒气弹，弹体上印着骷髅头。新2军及暂2军自身伤亡不足千余人，军委会通令嘉奖了新2军及暂2军。
毛利未广遭到了横山勇的严厉斥责，因为他的疏忽，造成了2500余帝国勇士丧生。横山勇寻思第58师团不适合打阵地战，但苦于手中兵力不足，无法调整。他考虑第37师团到达后再作计较。
重庆国府也非常关注衡阳的战况，常申凯此时的压力也非常大，美国政府有意利用豫中、长衡会战的失败，迫使其交出军权。这是他完全不可以接受的。史迪威还派人与云南龙云及广西李宗仁接触，这些都在常申凯的掌握之中。美国政府还透过在延安的美军观察组与我党进行了沟通，杜立特航空队已全面换装B29轰炸机，退役的50多架B24，我党购买了30架，轰炸机停留在山东根据地各机场，名义上还是属于杜立特航空队。不是我党不想多买，美军如果全部卖给我党，国府面子上会非常难看，另外的20多架B24交给了国军航空队。
常申凯有意亲自前往衡阳战场，但国府各大佬均不同意，于是常申凯委派军政部政务次长林蔚前去衡阳，林蔚作为常申凯的高级幕僚，深得其信任，在历次军事决策和政治协调中发挥关过键作用。
林蔚将军是乘飞机到达衡阳的，来到衡阳后林蔚召集了师级以上的将领开会，会上林蔚转达了常申凯对衡阳战役的关切，向这些高级将领说明了此次战役的重要性，此次战役关系到国府在同盟国中的地位，可能会影响到战后利益分配问题。林蔚又提到一次大战胜利后的巴黎和会以及五四运动的起因，与会的将领个个都是人精，哪里能不明白林蔚的意思。
林蔚还带来了大笔银元，对前期作战英勇的部队及个人进行了嘉奖。林蔚向各部将领承诺：此次战役各部队的损失，国府战后会全部整补，立功部队还有机会获得美式装备。林蔚的目的是要打消了非国党嫡系部队的顾虑，让他们安心全力作战。国府以前有以日军消耗地方部队的先例，虽然此举不能完全消除地方派系的担心，但这次有林蔚将军作保，地方系将领也相信了国府这次不会食言而肥，否则下次有谁还会相信国府的承诺，相信国府不会因小失大。
林蔚没有离开，留在衡阳城，协助第9战区司令长官薛岳指挥作战。衡阳战场上的国军很多属于临时调配到第9战区，有了林蔚的协调，薛岳指挥部队也顺畅了许多。
第68、116师团驱逐了国军第62、79军后，再次酝酿对衡阳城进攻，第34师团在洡水以北留了一个联队，余部向南从茶巿迂回、经东阳渡抵达衡阳城以南，衡阳东南部防线上第34师团那个联队也随行，协助第68、116师团攻取衡阳城。
7月28日日军对衡阳城再一次发动了总攻，战斗进行了3天，衡阳守军给予了日军重大杀伤。日军仍无法全面突破衡阳城外主阵地。横山勇意识到如果没有援军加入，日军对衡阳城将无可奈何，横山勇命令第37师团离开浏阳，转道株州，尽快赶到衡阳。
第37师团到达长沙后，正值第44军、第58军、第72军主力围攻浏阳，浏阳危急。衡山勇临时调第37师团赶往浏阳协助。第37师团师团长长野佑一郎接到横山勇的命令时，所部还在与国军激烈交战。日军在浏阳作战已取得到了优势，野佑一郎认为再过一、两天就可以击溃国军，他以部队与国军正在交战，一时无法抽调为由在浏阳多停留了两天。
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