9月10日之後，四野三路大軍揮師前進。
南中國炮火連天，毛澤東等中央領導在北平胸有成竹地等待著捷報。這時，已退居幕後的蔣介石又跳出來了，他怎麼能沉住氣呢？眼看著大半壁江山已落入中國共產黨之手，萬般無奈之際，他又重新遙控他的那些殘兵敗將。他沒有想到白崇禧集團這麼軟弱，在人民解放軍的喊殺聲中，白崇禧部節節敗退，陣地連連失守。
9月13日，四野西路軍程子華兵團從常德、桃源等地發出，直撲湘桂黔三省門戶芷江。 18日占領沅陵，19日占領溆浦，21日攻克瀘溪、辰溪。
不到一個星期，白崇禧苦心部署的“湘粵聯合防線”已受到嚴重威脅。為了確保芷江和湘西公路暢通，他將第103軍自永豐以西地區調到芷江北面的懷化一帶。
為了挽回失利局面，白崇禧又將桂系三個軍擺在粵漢鐵路線上。其中第7軍位於衡陽，第48軍位於永興至耒陽，第46軍在樂昌。
正當戰局對白崇禧不利時，蔣介石突然來到廣州，電邀白崇禧會商國是。
9月22日，白崇禧從衡陽飛抵廣州會見蔣介石。
蔣介石變得十分的謙虛了，他和白崇禧交換了對時局的看法之後，突然淚如雨下，他那悲傷、蒼老的聲音一下子就搞得白崇禧心緒不寧。他說：“回想當年北伐出師，你當了我的參謀長，我們兩人精誠團結，合作無間，所以能夠取得全國統一。其後我們兩個分道揚鑣，以致同室操戈。七七盧溝橋事變後，我們兩人又攜手合作，終於獲得抗戰的勝利。這些歷史教訓，使我個人深信，今後局勢無論如何困難，只要我們同心同德，真誠合作，則事尚有可為。”
蔣介石的真情打動了白崇禧，他決心捐棄前嫌，與蔣介石再次攜手合作。
他們兩人交換完意見之後，蔣介石提出了防守西南的戰略：
以陝西胡宗南部保衛川北；鄂西宋希濂部屏障川東；華中白崇禧節制的黃杰兵團(重新組建的第一兵團)增援貴州，使川黔能與兩廣連為一體，張淦兵團、徐啟明兵團和魯道源兵團則兼顧湘南粵北；海南島的劉安祺兵團調兩個軍到廣州駐防。
白崇禧返回衡陽後，四野中路大軍已分頭南下，於是他命令分佈在廣東邊境的桂係兩個軍沿粵漢路北上，集結於衡陽到寶慶(邵陽)一線。
白崇禧變了，他認為只有與解放軍決戰到底，才有出路，他想尋找對手的弱點，抓住孤軍冒進的一路，然後突下殺手攻殲一路，迫使其他各路停止追擊，形成在衡寶一線對峙的局面。其實，四野三路大軍正在向白崇禧逼近，大迂迴大包圍的態勢已形成。
10月1日。毛澤東在北京天安門城樓上向全世界莊嚴宣告：“中華人民共和國中央人民政府已於本日成立了……”
就在這一天，四野西路軍第38軍第113師與防守花橋的第103軍第700團遭遇，激戰3小時，斃俘其團長以下1300餘人，並攻克懷化。第17兵團司令官劉嘉樹慌忙率第100軍主力及先期西逃芷江的國民黨湖南省政府官員從芷江南逃。
10月2日，第38軍第112師進占芷江。同日，第39軍第117師佔領溆浦西南的江口。
10月3日，第38軍第113師進占黔陽縣城，殲第103軍第702團一部，第112師佔領會同。
10月4日，第39軍第116師佔領安江。
此時，中路早已完成了在湘潭、湘鄉等地集結，衡寶大戰即將拉開序幕。
1949年10月4日的晚上，林彪和蕭克制定出了戰役計劃：
“令已攻占芷江的西路軍程子華兵團向東迂迴衡寶之敵左側背；令第十八軍由東向西迂迴至敵背後，斷敵南逃退路。正面之中路軍暫勿南進，原地集結，待其他各路大軍迂迴至指定位置之後，四麵包圍衡寶之敵，一舉而聚殲之。”
野司根據上述指示，即令中路軍蕭勁光兵團：“現地停止待命，嚴整備戰，以俟我兵力之集中。”
10月5日上午，野司電令西路程子華兵團和中路蕭勁光兵團：
目前敵之企圖不是撤退，而是與我決戰……在此情況下，我軍應集結兵力進行充分的攻擊準備，然後待命攻擊。 ……以四十一、四十五兩軍及四十、四十九軍之各一部首先圍殲水東江、宋家塘地區之敵……兩軍對峙的局面已經形成，10月5日這一天，四野中路軍已推進了20多公里，控制了渣江至界嶺一線的陣地。
白崇禧為爭取主動，採取以進為退策略，擺開決戰架勢，企圖乘中路軍立足未穩，組織反擊他。急令第7軍沿衡寶公路向界嶺攻擊前進；另調樂昌的第46軍、郴縣的第97軍和耒陽的第48軍一部乘火車北上，會同原在衡寶線的第1兵團等部遲滯解放軍南進。 4日，白崇禧集團主力13個師全部集中衡寶一線。
5日，白崇禧先以第48軍第176師和第71軍第87、第88師為第一梯隊，第7軍主力為第二梯隊，向界嶺、金仙舖一線的解放軍第41軍實施反擊，之後白崇禧又將主力東調，令第48軍第138師和第7軍第172師進至渣江以南，阻止中路軍南進；令第46軍第188師、第97軍第33師、第7軍第224師、第58軍第183師和第126軍第304師共5個師，由第3兵團司令官張淦指揮，從東西兩面向渣江的解放軍第40軍夾擊；令第46軍第174、第236師集結於衡陽，作預備隊；令第126軍第305師和第97軍暫編第1師西調武岡、新寧，以保障其左安全，企圖阻止西路軍東進。
四野前委得知上述情況後，於10月5日10時30分電令第12、第13兵團及其所屬各軍：
目前敵之企圖不是撤退，而是與我決戰……在此情況下，我軍應集結兵力進行充分的攻擊準備，然後待命攻擊。 ……作戰部署是：以41、45兩軍及40、49軍之各一部首先圍殲水東江、宋家塘地區之敵……
5日12時，四野完成了兵力部署之後，又致電中央軍委：
（一）自我向衡寶線開始前進暴露以後，白崇禧即迅速將駐樂昌之四十六軍、駐郴州之九十七軍、駐耒陽之四十八軍以火車陸續調至衡寶之間，配合原在該地之七軍、七十一軍及一二六軍之一個師，五十八軍之一部企圖與我決戰。敵之力量相當強大。
（二）我三十八、三十九兩軍已佔芷江、黔陽，黃杰不戰而退。
（三）我集結優勢兵力而殲敵，本日已令三十八、三十九兩軍向寶慶、祁陽間前進，準備參加衡寶線決戰，屆時如敵改變與我決戰計劃時，該兩軍即中途向全州前進。
（四）今後向廣西進軍，我以5個軍採取較靠攏的並進，如敵與我決戰，則我亦能作戰，如敵退，則我仍能向前推進。如我兵力太分散，則遇作戰情況會反而不能作戰，而遇敵退時，由於各路兵力不足，亦無法堵住敵人。
（五）桂軍行動狡猾迅速，長於山地作戰，我部隊已有多次吃過其小虧。
……中央軍委復電，同意了四野作戰部署。
10月5日，中路軍主力按照四野前委的指令，停止於衡寶線以北地區待命。第45軍第135師由於在急行軍中，因為沒有收到四野前委關於停止前進的命令，全師只好按原定部署行動，當天晚上在衡陽西北的金蘭（今金蘭寺）乘隙越過衡寶公路，其前衛進至佘田橋正南的沙坪靈官殿行動。第135師這一行動，好像一把尖刀直插白崇禧集團的心臟，使白崇禧大為震驚。
6日拂曉，白以第176師攻擊荷公殿的第135師第405團。該團指戰員利用有利地形，英勇抗擊，激戰兩小時，將第176師擊退。
白崇禧吃了虧之後，決定全線撤退，於6日黃昏電令所屬各部收縮兵力，退守新寧、東安、零陵、道縣一線；並以一部進擊荷公殿、靈官殿地區的解放軍第135師，之後西進武岡、洞口，堵擊東進的西路軍，擔負掩護主力撤退任務。
6日下午，第135師由靈官殿向石珠橋、赤壁嶺、龍井江開進。白崇禧以第7、第48軍部的5個師主力向第135師發起猛烈攻擊。
林彪、鄧子恢電令第135師：中路軍主力正在追擊逃敵，你們應堅守陣地，抗擊、截擊敵人，採取靈活機動的戰術處置各種情況……10月8日拂曉，解放軍第403團主力經過一夜穿插，與師主力會合了。這天清晨又下起了小雨，雙方再次發生激戰，桂系的王牌第7軍已陷入重圍之中。
9日夜，白崇禧命令被圍的4個師全力突圍。其中第172師和第138師一部數次向黃土舖的解放軍第135師陣地猛攻，妄圖向西突圍，均被擊退。白部第171師向南突圍，先後18次攻擊鐵欄橋、茅草嶺的解放軍第119師陣地，激戰26個小時，均被擊退。
10日拂曉，四野中路大軍向白崇禧部發起總攻，桂軍4個師只能進行垂死掙扎。
鐵欄橋、茅草嶺一帶的戰鬥尤為激烈。敵軍先後發起18次大規模攻勢，均被擊退。到黃昏時，四野大軍主力紛紛殺向陣地，桂軍各部被分割、穿插，頓時建制大亂，官兵亂紛紛。
10日夜，四野中路大軍以大峰山為中心，布下天羅地網，在地方群眾的配合下拉網搜俘。
11日上午，密林中的搜剿戰遂告結束，衡寶戰區的槍砲聲漸漸少了起來。
就在四野中路大軍解放衡陽等地的同時，西路第38、第39軍由芷江地區向東推進，一路勢如破竹。
10月9日，第39軍攻克武岡縣城，殲敵2700人。
10月11日，第49軍第145師攻占寶慶。
10月13日，第38軍與第49軍等部在竹篙塘一帶，殲滅棄守寶慶的敵第62師5000餘人。
10月14日，第41軍第122師攻克儒林，第39軍攻克高沙，迫使守敵新編第8軍獨立第1師1000餘人投降。
至此，衡寶戰役勝利結束。
此役人民解放軍四野中、西兩路大軍在湘南、湘西兩個戰場，取得了南下以來最大的勝利，殲滅敵3個軍、5個師，共4.7萬餘人，其中生俘3.8萬人。繳獲火砲402門，槍13071支，汽車176輛，馬1116匹，解放縣城24座。