过了耒水河的日第六十八师团师团部和第五十八旅团向南绕行，该师团之松山圭助大佐率领的独立步兵第六十四大队（史称松山支队）则奉命向西进发。为了等待大队炮兵和重机枪部队赶上来，直到傍晚时分松山支队主力才开始向五马归槽阵地发起攻击。
但此时，国军已经发觉了日军该支队对机场的威胁，第10军军长方先觉中将即派遣第190师570团立即渡江增援五马归槽阵地，要求务必固守。当晚十八时，第3师回防衡阳，接替第190师的阵地。方先觉又让换防下来的第190师全部连夜渡江，占领湘江东岸的阵地，阻击日军。
6月25日拂晓，松山支队对五马归槽阵地发起第二次攻势，在该大队炮火的掩护下，第一线的步兵中队开始接近国军的据点堡垒。
守卫这一线的国军主力是第190师570团，团长贺光耀上校是黄埔三期生，久经沙场，也熟悉日军战法，因此指挥若定。当日军的大队炮开始射击时，他让部队隐蔽好，炮火一停，即开火反击日军的步兵。日军松山支队连续猛攻三次都被击退。看到日军进攻被挫败，师长容有略少将一面告诫贺团不要轻敌，一面又鼓励他们杀敌，告知敌人有飞机大炮，我们也有，必要时就会拉上来。
日军屡攻不克，便增加了火力支援。他们将在长沙缴获的美制七五山炮也投入进来，并且出动空军支援地面进攻。国军也毫不示弱，立即召唤衡阳城区的炮兵反击。
于6月25日早晨刚刚抵达衡阳的半个炮兵营〔六门美式七五山炮，有两千发炮弹〕立即投入战斗。在炮兵指挥官蔡汝霖少将和炮兵营长张作祥中校的指挥下，威力巨大的炮弹呼啸着越过湘江打到东岸，在日军阵线中爆炸。此外，中美联合空军的战斗机也多次飞临，反复扫射，双方战斗进入****。
容有略亲自走出地堡，指挥反击。激战中，率领突击队进行反击的第570团团长贺光耀不幸被敌机枪子弹洞穿腹部。他一面捂住伤口，不让肠子流出来，一面让特务连长左光亚中尉去喊副团长冯正之中校。冯中校接过指挥权，继续指挥部队抵抗。但是国军部队伤亡很大，一些新兵的惊慌失措加剧了伤亡。到了午后，该部不得不撤至范家坪、橡皮塘、莲花塘、冯家冲之线。
此时，配属第10军的暂编54师师长饶少伟少将认为：自己所属部队是第九战区长官部直接指挥的部队，具体任务是警卫机场。而按照预定计划，衡阳外围作战结束后机场随即放弃，那么任务就算完成，应该撤离衡阳战场。但他看到方先觉念念不肯舍弃对该部的使用，怕不好向薛长官交差。因此，饶急忙让团长陈朝章上校率一、二营立即向南退往冯家冲，相机渡河，退到耒阳，离开衡阳战场。但转念一想，又怕统帅部怪罪，因为本部又是被指定为配属第10军作战的部队，应该听从方先觉军长的指挥。于是，饶师长又只好自己率三营留下继续战斗。
日军虽然夺取了部分阵地。但是，由于面对国军这些布置巧妙的据点式的阵地时，缺乏足够的炮弹来对付。因此，急于进占机场的日军又增派田部久次郎中佐率领的独立步兵第一一六大队支援松山支队，企图以兵力优势压倒国军。
傍晚时分，松山大佐重新分析了战场态势，决定从国军左翼的水田地带实施突破。这时，从国军部队传来了潜伏间谍的情报，说在耒水河翼侧湾塘的国军没有设防，松山大佐立即布置进攻，派一个小队迂回耒水河湾塘方向。
此时，担负湾塘守备任务的是6月24日午夜匆匆渡江而来的第569团第3营。
6月25日，第3营营长黄钟少校让第8连坚守湾塘，第9连派出三名哨兵登上附近的八只岭警戒。一旦发现日军来进攻，立即抵抗并报警，山下部队会立即上山增援。但是黄营长却疏忽了，没有安排对耒水河方向的警戒。
当日午夜，一个小队的日军从耒水河方向摸上了八只岭，从背后干掉了情报中提到的国军警戒哨。其中两人牺牲，另一人机灵，听到背后枪响，立即倒地顺着山坡朝下滚，虽然中了两弹，但是捡回了一条命。
次日拂晓，他被人救回营部。营长黄钟觉得很蹊跷，但是怎么也没想到与间谍有关。(其实黄早在6月23日就接到过有间谍的通知，那是下午二时团长梁子超上校打来的电话，说九连有间谍，军部派了两位参谋来调查。黄等到天黑也没见人，打电话找9连长一问才知道已经查过了，但是没有实际结果。于是大家都以为是捕风捉影，这一疏忽给三营后来造成了极大的损失，给黄钟留下一生的遗憾。
然而就在6月25日当晚，日军松山支队却利用这一点，在消灭了警戒哨后，主力从狭窄的田埂上冲锋，轻易地突破了湾塘阵地。守卫湾塘的8连有六十人战死，仅有一个排长带了十七个人撤了下来。
接着日军继续猛攻，直扑冯家冲，由于守卫该地的第568团仅有干部，开战前才匆匆补充一部分新兵。因此，阵地很快被撕开了口子。
就这样，暂编54师一团和第190师的部队被分割开来。暂编54师一团长陈朝章立即率两个营饶到耒水河边，找到船只撤出战场。
6月26日拂晓，突破了国军外围阵地的松山支队终于抵达衡阳机场南端。此时，机场内守备的国军已基本撤离，只有北端留有掩护撤退的部队。日军先头中队发起攻击，一个冲锋就将国军少量掩护部队击退，抢占了机场。
由于国军没料到日军来得这么早、攻得这么猛，匆忙撤退时准备不及。因此，竟然连机场都还没完全破坏。因此，机场失守的消息一传出，方先觉军长就下令反击，务必夺回机场，实施彻底的破坏。
这次，第190师师长容有略少将亲自上阵，指挥第569团，向飞机场实施逆袭。
日军虽占领了机场，却由于对地形尚未熟悉，又未料想到国军这么快转来反攻，因而手忙脚乱。但日军毕竟训练有素，很快就组织起有效抵抗，机场指挥塔台上的火力交织，给569团2营的攻击部队造成极大的伤亡。
在容有略的督促下，第569团团长梁子超中校亲自冲锋在前，受团长身先士卒的鼓舞，2营前赴后继，终于夺取了机场指挥塔台。经过五个小时的激战，第569团以伤亡二百余人的代价，终于将该部日军全部驱逐出机场。
接着2营部队迅速炸掉机场的所有设施，并且在机场跑道上每隔十米就挖一个五十公分的坑，埋上一公斤炸药。安排完之后，容有略将军亲自按下引爆雷管的电钮，在一阵参差不齐的沉闷的爆炸声之后，机场跑道被炸得翻了个个，地基被震松，短时间内休想修复使用。
日军松山支队长得知机场得而复失，立即率部反击。傍晚时分，穿着皮鞋或胶鞋的一千多名日军兵分数路冲进机场，将多数脚穿布鞋或草鞋的国军第569团轻而易举地撵出了机场。
国军此时已经无力发动反击，而且为保存战力，方先觉军长随即下令湘江东岸部队全部撤回衡阳西岸主城区。
至此，衡阳机场争夺战划上句号。
消息传到日本国内，东条军国主义集团狂喜不已，额首相庆。东条亲自签署嘉奖令，奖励松山支队。攻城的各队日军更加骄横，不可一世，争先恐后向衡阳城下杀奔而来。
然而，他们做梦也没有想到，第10军将士们正严阵以待，为他们准备了一个个死亡陷阱！