浏阳围歼日军第13师团能取得成功，外围阻击的第20、44、72军功不可没，第44军第161师师长余建勋亲临狮形山一线阵地，身负重伤不下火线，指挥部队作战，牢牢挡住第3师团疯狂进攻，该部督战官张天举阵亡。
第13师团全军覆没的消息传到第11军司令部，横山勇愤怒了，他准备调集中线兵力对浏阳总攻。然而这时他又收到右翼第40师团急报，第40师团在益阳、宁乡之间被国军第5军、第73军、第74军、第99军、第100军合围了，第40师团被分割成为二半。横山勇瞬间瘫坐在座位上，他心里冒出一个可怕的念头，难道自己要成为第一个连续被全歼两个师团的指挥官。
横山勇心底冒出冈村宁次一样的无力感，他感觉到束手束脚，又好像被人扒光看了透彻。横山勇稳定一下心神，第40师团不能不救，进攻长沙的计划延后，他决定第17旅团南下，中路34师团越过湘江救援第40师团。
命令刚刚发出，司令部又收到三份电报，第6战区进攻宜昌，第5战区向平汉路确山至广水段进攻。大别山新四军向黄安（红安）、麻城发起进攻。横山勇心中再次升起深深的无力感，兵力捉襟见肘。他感觉就算是打通平汉线，能起到大本营希望起到的作用吗。想归想但大本营的命令还是要执行，宜昌还是要增援，确山至广水段平汉线还是要夺回，黄安、麻城暂时让中共新四军得逞也罢，待长衡会战后再转头来收拾他们。
身处益阳的第40师团处境艰难，前几天师团长宫川清三以为守卫益阳的是第77师，然而事实上第100军第63师也在城内，外围阵地主要是第77师，宫川清三感觉打得还挺顺手。而等到打益阳时，情况发生了变化，好像益阳总是差那么一口气就可以攻下，但始终无法攻下。第63师是在拖延时间，第5军绕道桃江准备前往益阳、宁乡之间的四方山。日军攻击了两日，发现了不对。通过审问几个国军俘虏发现李天霞第100军也参与到了益阳的防守，宫川清三不想和第100军硬碰硬，选择绕道宁乡，宫川清三知道李天霞原先是第74军副军长，而且作战经验丰富、战风彪悍，所以日军选择了绕道，避开第100军正面，直接往宁乡方向疾驰。但让日军没有想到的是，守卫宁乡的是第74军张灵甫第58师，日军想避开中国的王牌部队，结果偏偏就往王牌部队的正面撞上。
11日上午，到达四方山的第5军原准备左旋在益阳一带兜住第40师团，没想到宫川清三放弃益阳转向了宁乡。第5军顺势直插仓水铺，把正在行进的第13师团切成两段后，第200师向益阳方向攻击，与从益阳出击的第100军一起，把第40师团第236联队及后勤部队4000余人包围在三里桥一带，第99军也赶过来。第5军主力向宁乡方向攻击，与宁乡出击的张灵甫第58师把第40师团主力7000余人包围在衡龙桥、大泉、岳家桥一带，宁乡交给了第73军，余程万第57师也赶过来。第51师布置在岳麓山，因为此地太过重要，不敢轻动。
第40师团是个丙级师团，其总兵力约1.4万余人，下辖第234联队、第235联队、第236联队。前期进攻沅江、益阳还伤亡了2500余人。该师团战斗力较低，日军内部评价其“作战呆板，缺乏灵活性。\"常被日军高层视为“战力垫底”单位?。
杜聿明知道日军留给他的时间不会太长，如果不能在短时间消灭第40师团，日军援军一到，国军必将陷入被动。日军被围后，他立即命令各部队发起了总攻，总攻动员中杜聿明向各部军事主官宣布了一个刚刚收到的好消息：新2军、新6军等部队在浏阳消灭了日军第13师团。杜聿明激励所部奋勇杀敌，争取再消灭一个整编日军师团。各部队主官也被刺激到了，湘江西岸形势对国军非常有利，第5军、第74军两个师、第99军一部、第100军参战总兵力近8万余人，与日军的兵力对比达到8：1，再创一个大捷也不是不可能。杜聿明还同时上报了军委会，要求中美联合航空队参战。战斗一开始就进入了白热化，国军奋勇冲击日军防线，日军第40师团垂死挣扎。
军委会接到了杜聿明的电报，常申凯大喜过望。浏阳大捷的消息还没有完全消化，他还在庆幸调回了新2军、新6军。没想到第40师团又送上了餐桌，他要求中美联合航空队停下一切任务，全军赶到湘江以西协助杜聿明歼灭第40师团，杜立特轰炸机群也参与了进来。
战斗持续到从上午打到了下午，午饭都是抬到了进攻一线将士们在战场上匆忙解决的。第40师团分处两个包围圈，包围圈被国军压缩的越压越小。中美联合航空队、杜立特轰炸机群先于日军航空队到达了战场，对日军进行了猛烈的轰炸和扫射，小鬼子死伤惨重。当日军航空队到达时，被中美联合航空队驱离，保证了湘江以西战场国军不受日军航空队影响。
战斗又持续到晚上，三里桥包围圈日军兵力不足，而衡龙桥日军弹药出现了不足，日军的抵抗越来越弱了。杜聿明敏锐察觉到了两地日军的变化，趁鬼子的病，要鬼子命。日军的大规模援兵还未到达，杜聿明压上了所有预备队，毕其功于一役。各部将士用命，终于在晚上11点以前将两个包围圈里的第40师团小鬼子完全歼灭，第40师团师团长宫川清三切腹自杀。
战斗一结束，战场都还没有打扫，杜聿明立即命令国军各部马上回防。将士们虽然疲惫，但在取得大捷的刺激下依然战意昂扬。第5军第200师与第100军第63师北上向沅江压迫，第96师去了湘江西岸，余部留下来打扫战场。杜聿明在衡龙桥向军委会及第9战区司令部报告了宁益大捷的消息，在办公室急切等待的常申凯终于把悬着的心放了下来。他在办公室里开怀大笑，眼中又噙满了泪水。
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