日军第11军在开始向沙发起总攻的6月16日即向各队达了在第九战区失守沙、宁乡等地后，乘其混、尚未组织起新的防御系之前迅速突攻占衡的命令，因而预定用以攻击衡的第68师团及第116师团在沙尚在激战之际即渡过浏河南，在沙弃守时已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，直趋衡。

18日晨，渡河队到达湘江西岸时，岳麓山心阵地已失，被迫退岳麓山。其后复被尾击，直溃退至邵。留于沙的2个团，在日军猛攻更无法支持，一千余，由北门冲东山，沿途与日军战斗，退至茶陵归27集团军欧副总收容、指挥，沙遂于18日15时被日军占领。

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湘乡，并准备向衡以西的永丰、渣江前，与东路日军遥相呼应。

东路日军第3师团及第13师团占领浏后即继续向醴陵、萍乡前，并准备向攸县、安仁、耒(耒县)推。

岳麓山方面，日军第68师团的第58旅团由第34师团右翼迂回至守军第90师左翼，猛攻燕山阵地，第90师的第268团损伤过半，形势极为严峻。第4军决定将军主力增援岳麓山，令第59师及第102师各留1个团继续防守沙市，其余队于夜时渡湘江转移至岳麓山。渡河仓促，坠江溺毙者，不千余，加上日军在形山及其东面以猛烈火力侧击半渡的队，致死伤更众。后续渡河队被迫折返东岸。

西路日军第40师团于19日攻占宁乡后即全军南，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，亦向东攻，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，集结兵力准备与由西北南的第24集团军作战。

东路日军第13师团于6月20日占领醴陵后，仅以一兵力继续南。而以主力向东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。

沙失守后，军事委员会为保卫衡、阻敌，于6月20日对第九战区达了作战命令 。日军通过空中、地面侦察，据中国军队的集结、调动况，再结合以往的一贯战法，大致上已判断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，加对醴陵、宁乡方面的作战，以掩护中路日军攻衡。

并施放大量嚏毒气。双方死伤均极众。

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