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。