18日晨,渡河部队到达湘江西岸时,岳麓山核心阵地已失,被迫退出岳麓山。其后复被尾击,直溃退至邵阳。留于长沙的2个团,在日军猛攻下更无法支持,一部千余,由北门冲出东山,沿途与日军战斗,退至茶陵归27集团军欧副总部收容、指挥,长沙遂于18日15时被日军占领。
日军第11军在开始向长沙发起总攻的6月16日即向各部队下达了在第九战区失守长沙、宁乡等地后,乘其混乱、尚未组织起新的防御体系之前迅速突进攻占衡阳的命令,因而预定用以攻击衡阳的第68师团及第116师团在长沙尚在激战之际即渡过浏阳河南下,在长沙弃守时已进至株洲及其以东的清江铺地区,尔后准备沿湘江两岸向南快速推进,直趋衡阳。
东路日军第3师团及第13师团占领浏阳后即继续向醴陵、萍乡前进,并准备向攸县、安仁、耒阳(耒县)推进。
湘江西岸的西路日军第40师团于19日攻占宁乡后亦继续南下湘乡,并准备向衡阳以西的永丰、渣江前进,与东路日军遥相呼应。
长沙失守后,军事委员会为保卫衡阳、阻敌深入,于6月20日对第九战区下达了作战命令 。日军通过空中、地面侦察,根据中国军队的集结、调动情况,再结合以往的一贯战法,大致上已判断出军事委员会集中兵力分由东、西两面实施夹击的战役企图,遂令东、西两路日军集结兵力,加强对醴陵、宁乡方面的作战,以掩护中路日军进攻衡阳。
东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后,仅以一部兵力继续南下。而以主力向东进攻准备实施夹击的中国军队,在刘公庙附近重创第26军,并迫使第58、第72军向东撤退,于22日占领了萍乡。日军第3师团亦于萍乡以北地区击溃了第58军。军事委员会计划的反击作战已无法实现。
西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南下,在湘乡以北击退第73、第74军,于22日攻占湘乡。守军新23师(附第92师1个营)退守石狮江、三枣。与此同时,中路日军第116师团的第133联队,亦向东进攻,配合第40师团,在湘乡东南的东台山一带击退守军第32师。至此,第40师团即暂停南进,集结兵力准备与由西北南下的第24集团军作战。