正当薛岳得意扬扬，认为第10军就要到手的时候，日军于1944年5月下旬将在南京的前进指挥所推进至武汉，其派遣军总司令官俊六开始向国军发起了豫湘桂战役。5月18日，日军攻占长沙，此后又相继夺取醴陵、攸县等地，箭锋直指衡阳。
在衡阳的第10军军部里，继任军长还没到任，薛岳一看情势危急，只得拉下脸面亲自电命仍在衡阳家里等待办理移交手续的方先觉代理第10军军务，负责指挥衡阳保卫战。
起初方先觉想难为薛岳，叫他知道我方先觉不是那种叫来就来叫去就去的窝囊废，硬是推辞。这下可把薛岳急坏了，只得请示在重庆的委员长蒋介石。蒋介石在了解事情的来龙去脉后亲自给方先觉打电话。
此时在衡阳寓所正笑得欢的方先觉突然接到了蒋委员长的电话，深觉事态严重，这个气怄过头了。果然，电话那头的蒋介石大骂方先觉昏庸，说道“日军已经逼近衡阳，而方先觉你还在和战区长官怄气，放民族大义予不顾，成何体统？”这一通话倒把方先觉骂得无地自容，于是向蒋介石表态一定要积极布置、固守衡阳，发扬第十军的优良传统，坚决抗击日军的侵犯。
在衡阳攻防战前，方先觉特邀衡阳新闻界巡视全城，坚决表示死守衡阳城的决心。当日军临进城垣紧张状态时，方将军与新闻界友人握别，拿起腰间白朗宁手枪说：“这是打死我自己的。”讲话时，泪如雨下。在夜间的军事会议上，方先觉也向全体与会军官表态，要坚守衡阳为第10军再次争光。
会后，方先觉又带着与会军官乘夜色朦胧之时，渡过湘江，到岳麓山祭扫在第三次长沙会战中阵亡的全体第10军将士，并面对公墓祝祷说：“先烈们，安息吧，先觉这次亲率全军，参加衡阳战役，誓以一死报国，坚决歼尽日寇，为诸先烈报酬，为十军争光，耿耿此心 ，对天可表，如有异志，天人不宵！”说罢放声大哭。此时，全体军官也无不流涕。
6月23日拂晓，日军开始向衡阳发起进攻。第10军所属的3个师皆奋勇抵抗，坚守阵地。使得日军每占领一处就要付出惨重损失。
第10军虽然在军长方先觉的指挥下，坚决抵抗日军的进攻，但是自身也遭到惨重损伤。一开始，第10军的补给尚能通过外围运进衡阳城，但是不久后即因日军后继部队和重火力的压制，补给线被切断了。加之日军的包围圈日益缩小，使得空投物资也大部分落入日军阵地。
随着战况的进展，衡阳市郊已无一处完土，双方战死者的尸体到处皆是。如此日日夜夜，第10军官兵一直坚持了四十余日。面对蒋介石亲口许诺的“解救”，第十军官兵已从盼望到失望、由失望到绝望、由绝望而发展到对军事委员会的怨恨。
此时，第10军已处于四面楚歌的境地，部队开始 发展到兵不由官、下级不服从上级的混乱局面。军长方先觉发下去的命令已不起任何作用。为此，方先觉痛心疾首，即有了自杀殉国的想法。但是当他看到那些与自己多年奋战、患难与共的部下时，又不忍抛弃。
就在这种内外矛盾的情况下，方先觉终于决定召集团以上军官，商讨第10军残余官兵的出路问题。与会军官有的决定以死殉国，有的提议向日军投降。正当这两种意见相持不下时，方先觉入室放声大哭，会议随之无结果而散。
入夜后，军部突闻担负北门防务的第3师萧圭田团放下武器投降日军，以致日军从萧团阵地蜂拥而入。至此大势已去，方先觉意识到自己的最后时刻已经到来，即命参谋长给蒋介石发了最后一封电报。电文为：“委座钧鉴：我军现已弹尽援绝，敌于今晨自北门突入，我已无可堵之兵。学生等决心以死报党国，不负钧座平生作育至意。此电恐为最后之一电，望来生再见。学生方先觉、周庆祥、葛先才、容有略敬叩。”
电文发出后，方先觉准备拿 出手枪自杀，可发现佩枪早被副官拿走。正当方先觉寻找可用以自杀的武器时，突然主降的第3师师长周庆祥陪同日军代表来到军部，催促方先觉前往日军指挥部商讨停战事宜。方先觉就在这种内挟外压的情况下随着周庆祥与日军代表去了日军指挥部。并与日军谈妥在停战后不伤及第10军剩余官兵，并且接受了日方提出的组建“先和军”的提议。
三个多月后，方先觉在伪衡阳县自卫司令王伟能(原衡阳县县长)与伪维持会、复兴会的人的帮助下逃离出了日军的势力范围，经由第73军19师派遣部队接应，顺利抵达重庆。
方先觉到重庆拜会蒋介石时，蒋见面即责骂：“为什么不死呢？”蒋的意图是愿他成仁的。这句话使的方先觉羞愧难当。但是之后蒋介石对他设宴招待，也或多或少的使方先觉心理得到了点安慰。
在重庆稍住数日后，方接到了军委会的命令，任命其为第20集团军副总司令。1945年初，他又以集团军副总司令的名义兼任新组建的青年军第207师师长，旋又调任第206师师长、第88军军长。然而，在后来的日子里，方始终没有机会再与日寇作战，没能一雪心中的耻辱。
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