過了耒水河的日第六十八師團師團部和第五十八旅團向南繞行，該師團之松山圭助大佐率領的獨立步兵第六十四大隊（史稱松山支隊）則奉命向西進發。為了等待大隊砲兵和重機槍部隊趕上來，直到傍晚時分松山支隊主力才開始向五馬歸槽陣地發起攻擊。
但此時，國軍已經發覺了日軍該支隊對機場的威脅，第10軍軍長方先覺中將即派遣第190師570團立即渡江增援五馬歸槽陣地，要求務必固守。當晚十八時，第3師回防衡陽，接替第190師的陣地。方先覺又讓換防下來的第190師全部連夜渡江，佔領湘江東岸的陣地，阻擊日軍。
6月25日拂曉，松山支隊對五馬歸槽陣地發起第二次攻勢，在該大隊炮火的掩護下，第一線的步兵中隊開始接近國軍的據點堡壘。
守衛這一線的國軍主力是第190師570團，團長賀光耀上校是黃埔三期生，久經沙場，也熟悉日軍戰法，因此指揮若定。當日軍的大隊炮開始射擊時，他讓部隊隱蔽好，炮火一停，即開火反擊日軍的步兵。日軍松山支隊連續猛攻三次都被擊退。看到日軍進攻被挫敗，師長容有略少將一面告誡賀團不要輕敵，一面又鼓勵他們殺敵，告知敵人有飛機大炮，我們也有，必要時就會拉上來。
日軍屢攻不克，便增加了火力支援。他們將在長沙繳獲的美製七五山炮也投入進來，並且出動空軍支援地面進攻。國軍也毫不示弱，立即召喚衡陽城區的砲兵反擊。
於6月25日早晨剛剛抵達衡陽的半個砲兵營〔六門美式七五山炮，有兩千發砲彈〕立即投入戰鬥。在砲兵指揮官蔡汝霖少將和砲兵營長張作祥中校的指揮下，威力巨大的砲彈呼嘯著越過湘江打到東岸，在日軍陣線中爆炸。此外，中美聯合空軍的戰鬥機也多次飛臨，反复掃射，雙方戰鬥進入****。
容有略親自走出地堡，指揮反擊。激戰中，率領突擊隊進行反擊的第570團團長賀光耀不幸被敵機槍子彈洞穿腹部。他一面摀住傷口，不讓腸子流出來，一面讓特務連長左光亞中尉去喊副團長馮正之中校。馮中校接過指揮權，繼續指揮部隊抵抗。但是國軍部隊傷亡很大，一些新兵的驚慌失措加劇了傷亡。到了午後，該部不得不撤至范家坪、橡皮塘、蓮花塘、馮家沖之線。
此時，配屬第10軍的暫編54師師長饒少偉少將認為：自己所屬部隊是第九戰區長官部直接指揮的部隊，具體任務是警衛機場。而按照預定計劃，衡陽外圍作戰結束後機場隨即放棄，那麼任務就算完成，應該撤離衡陽戰場。但他看到方先覺念念不肯捨棄對該部的使用，怕不好向薛長官交差。因此，饒急忙讓團長陳朝章上校率一、二營立即向南退往馮家衝，相機渡河，退到耒陽，離開衡陽戰場。但轉念一想，又怕統帥部怪罪，因為本部又是被指定為配屬第10軍作戰的部隊，應該聽從方先覺軍長的指揮。於是，饒師長又只好自己率三營留下繼續戰鬥。
日軍雖然奪取了部分陣地。但是，由於面對國軍這些佈置巧妙的據點式的陣地時，缺乏足夠的砲彈來對付。因此，急於進占機場的日軍又增派田部久次郎中佐率領的獨立步兵第一一六大隊支援松山支隊，企圖以兵力優勢壓倒國軍。
傍晚時分，松山大佐重新分析了戰場態勢，決定從國軍左翼的水田地帶實施突破。這時，從國軍部隊傳來了潛伏間諜的情報，說在耒水河翼側灣塘的國軍沒有設防，松山大佐立即佈置進攻，派一個小隊迂迴耒水河灣塘方向。
此時，擔負灣塘守備任務的是6月24日午夜匆匆渡江而來的第569團第3營。
6月25日，第3營營長黃鍾少校讓第8連堅守灣塘，第9連派出三名哨兵登上附近的八隻嶺警戒。一旦發現日軍來進攻，立即抵抗並報警，山下部隊會立即上山增援。但是黃營長卻疏忽了，沒有安排對耒水河方向的警戒。
當日午夜，一個小隊的日軍從耒水河方向摸上了八隻嶺，從背後乾掉了情報中提到的國軍警戒哨。其中兩人犧牲，另一人機靈，聽到背後槍響，立即倒地順著山坡朝下滾，雖然中了兩彈，但是撿回了一條命。
次日拂曉，他被人救回營部。營長黃鐘覺得很蹊蹺，但是怎麼也沒想到與間諜有關。 (其實黃早在6月23日就接到過有間諜的通知，那是下午二時團長梁子超上校打來的電話，說九連有間諜，軍部派了兩位參謀來調查。黃等到天黑也沒見人，打電話找9連長一問才知道已經查過了，但是沒有實際結果。於是大家都以為是捕風捉影，這一疏忽給三營後來造成了極大的損失，給黃鐘留下一生的遺憾。
然而就在6月25日當晚，日軍松山支隊卻利用這一點，在消滅了警戒哨後，主力從狹窄的田埂上沖鋒，輕易地突破了灣塘陣地。守衛灣塘的8連有六十人戰死，僅有一個排長帶了十七個人撤了下來。
接著日軍繼續猛攻，直撲馮家衝，由於守衛該地的第568團僅有乾部，開戰前才匆匆補充一部分新兵。因此，陣地很快被撕開了口子。
就這樣，暫編54師一團和第190師的部隊被分割開來。暫編54師一團長陳朝章立即率兩個營饒到耒水河邊，找到船隻撤出戰場。
6月26日拂曉，突破了國軍外圍陣地的松山支隊終於抵達衡陽機場南端。此時，機場內守備的國軍已基本撤離，只有北端留有掩護撤退的部隊。日軍先頭中隊發起攻擊，一個衝鋒就將國軍少量掩護部隊擊退，搶占了機場。
由於國軍沒料到日軍來得這麼早、攻得這麼猛，匆忙撤退時準備不及。因此，竟然連機場都還沒完全破壞。因此，機場失守的消息一傳出，方先覺軍長就下令反擊，務必奪回機場，實施徹底的破壞。
這次，第190師師長容有略少將親自上陣，指揮第569團，向飛機場實施逆襲。
日軍雖佔領了機場，卻由於對地形尚未熟悉，又未料想到國軍這麼快轉來反攻，因而手忙腳亂。但日軍畢竟訓練有素，很快就組織起有效抵抗，機場指揮塔台上的火力交織，給569團2營的攻擊部隊造成極大的傷亡。
在容有略的督促下，第569團團長梁子超中校親自衝鋒在前，受團長身先士卒的鼓舞，2營前赴後繼，終於奪取了機場指揮塔台。經過五個小時的激戰，第569團以傷亡二百餘人的代價，終於將該部日軍全部驅逐出機場。
接著2營部隊迅速炸掉機場的所有設施，並且在機場跑道上每隔十米就挖一個五十公分的坑，埋上一公斤炸藥。安排完之後，容有略將軍親自按下引爆雷管的電鈕，在一陣參差不齊的沉悶的爆炸聲之後，機場跑道被炸得翻了個個，地基被震松，短時間內休想修復使用。
日軍松山支隊長得知機場得而復失，立即率部反擊。傍晚時分，穿著皮鞋或膠鞋的一千多名日軍兵分數路衝進機場，將多數腳穿布鞋或草鞋的國軍第569團輕而易舉地攆出了機場。
國軍此時已經無力發動反擊，而且為保存戰力，方先覺軍長隨即下令湘江東岸部隊全部撤回衡陽西岸主城區。
至此，衡陽機場爭奪戰劃上句號。
消息傳到日本國內，東條軍國主義集團狂喜不已，額首相慶。東條親自簽署嘉獎令，獎勵松山支隊。攻城的各隊日軍更加驕橫，不可一世，爭先恐後向衡陽城下殺奔而來。
然而，他們做夢也沒有想到，第10軍將士們正嚴陣以待，為他們準備了一個個死亡陷阱！