實際情況是，日軍在此次作戰中一開始便投入了遠超中方估計的兵力——第一線部署5個師團並列於湘北、鄂南之華容、嶽陽、崇陽一線，另以3個師團部署於第二線監利、蒲圻和崇陽一線，共約15萬人；而在具體戰法上，日軍也吸取了先前第三次長沙會戰的教訓，針鋒相對，也將主力布置在兩翼。在接連犯了判斷失策、戰略布置為敵識破這兩個錯誤之後，長沙的戰事已經早就注定了失敗的結局，而接下來也無非是走個過場。日軍從5月26日開始進攻後，我軍便步步受製，薛嶽的兩翼部隊遭遇挫折，中路則難以抵擋日軍的凶猛攻勢，而等到日軍以兩個師團3萬餘人的兵力兵臨長沙城下，中方守軍居然隻有一個軍1萬餘人的兵力，結局自是可想而知，長沙很快便於6月18日失陷。
長沙失陷後，衡陽就成為了雙方的競爭焦點，為了阻滯日軍南進，第九戰區令各部在6月20日起反擊日軍，但是收效甚微，日軍還是繼續南下，6月28日，日軍以第68師團和第116師團開始進攻衡陽，而衡陽守軍方先覺第10軍則據城死守。衡陽保衛戰是整體糜爛的豫湘桂戰役中唯一的亮色，在方先覺將軍的指揮下，居然整整堅守47天，於7月2日、7月20日，兩次在重創日軍的前提下逼迫日軍停止進攻，而直至日軍集結四個師團的兵力，於8月4日第三次圍攻衡陽後，我軍才在傷亡慘重、彈盡糧絕的形勢下宣告失利。8月7日，方先覺率各級軍官發表“再見來生”通電，次日方將軍欲拔槍自戕，以死殉國，被部下攔阻，終被日軍俘虜，後在三個月後逃出生天。
第九戰區的作戰顯然比第一戰區強了百倍，與豫中會戰一潰千裏不同，長衡會戰雖然在前期遭到嚴重挫折，未幾長沙宣告淪陷，但在後期的衡陽保衛戰中，第九戰區的將士們終究還是體現了國軍精銳應有的戰力和鬥誌，而方先覺堅守衡陽長達47天的戰績，也足以彪炳史冊。遺憾的是，抗日名將薛嶽將軍神奇不再，所謂狐狸不會落入同一個陷阱，薛嶽埋下了同一個陷阱，卻無法指望日本人再度跳進去。原本勝敗兵家常事，薛嶽此敗本無足為怪，但是，薛嶽輸得實在不是時候，在歐戰戰場盟軍各國紛紛收複失地發動戰略反攻的形勢下，我軍卻一敗而再敗，接連丟城失地，自此榮耀盡失，顏麵無存，為友邦所輕。
豫湘桂戰役還未結束——雖然國民黨政府已經輸了個幹淨，但是日本的戰略計劃還沒達成，在豫湘的戰事結束後，現在輪到桂了——第三階段的戰事稱為桂柳會戰，而日軍的目的則是占據湘桂鐵路，並進一步打通桂越（越南）公路。日軍的作戰部署是：以第11集團軍6個師團又1個旅團，於29日由衡陽沿鐵路向湘桂邊界推進；以第23集團軍2個師團又1個獨立混成旅團，於9月6日由廣東清遠等地沿西江向廣西梧州進攻，另1個獨立混成旅團由廣東遂溪向廣西容縣進攻，指揮官為岡村寧次，共有兵力16萬。此次作戰區域隸屬張發奎統率的第四戰區，共有守軍20餘萬人。當然了，在豫中會戰和長衡會戰相繼失利的形勢下，我軍也很難在此次戰役的掃尾戰中有何突出表現，總體而言，桂柳會戰算是中規中矩，沒有像豫中會戰那樣丟人，也沒有出現像衡陽保衛戰這樣提氣的戰事，一切都是波瀾不驚。日軍節節推進，而我軍則集中兵力防守桂柳，戰至11月11日，日軍相繼攻陷桂林和柳州；24日，日軍陷南寧；28日，日軍南方軍第21師一部從越南突入中國，向廣西綏淥（今屬扶綏）進攻；12月10日，日軍第21師與第22師各一部在綏淥會合。自此豫湘桂戰役全麵結束，日本將大陸交通線全數打通。