17日,驻芷江空军第5大队出动12架战斗机掩护四架轰炸机,猛烈轰炸了长沙外围日军炮兵阵地,日军飞机迎战当即被击落三架。
18日,日军主力全部参战,30架飞机疯狂向****猛烈轰击,并发射毒气弹,中国守军伤亡惨重。当日,长沙被日军攻陷。之后,日军沿湘江南下向衡阳逼近。长沙失陷引起重庆极度恐慌。日军逼近衡阳更令******震惊。衡阳是第14航空队重要基地。
第4军军长张德纯指挥作战不力致使长沙失守,******将其以军法处决,并严令各部不准后退,违者格杀勿论。******急调第62军、第29军星夜驰援守卫衡阳的第10军。
中国守军与日军十个师在衡阳展开血战。陈纳德第14航空队给予了大力支援。经过48天血战,于8月8日衡阳失陷。日军付出六万多人的惨重代价。
长沙、衡阳会战中,中美空军共出击551次,计战斗机3,974架次,轰炸机554架次;空战中击落日机70架,击毁地面日机52架,炸毁地面日机30多架,击灭日机152架,轰炸日军机场30次,毁灭日军火车站13座,炸毁铁路桥梁五座,公路桥梁20余座,轰炸日军司令部16次,日军工事38处,日军营52座,炸毁日军坦克、卡车等1,858辆,炸死日军七千余人,军马920匹。