九月上旬，休整了數(shù)天并補充了大批作戰(zhàn)物資后，衡陽地區(qū)的國民軍第十師和第一混成旅聯(lián)合桂軍第十三師發(fā)起了第二輪衡陽戰(zhàn)役，此次戰(zhàn)役以第十師為主力，第一混成旅從東部配合，向衡陽核心防御地區(qū)挺進，而西部則是由桂軍之第十三師負責(zé)。戰(zhàn)役發(fā)起后進展較第一次衡陽戰(zhàn)役迅速，九月三號第十師就集中兵力率先擊潰了北洋軍之防御主力第七旅下屬一團，不過隨后向衡陽地區(qū)挺進的過程中，桂軍之第十三師一團遭遇北洋軍反擊潰敗，牽連第十三師形成整體后撤，造成西面戰(zhàn)線寸步不能進，西線不進反對，也讓南部戰(zhàn)線的第十師受到了牽連，側(cè)翼被北洋軍所所謂，不得已之下第十師重新調(diào)整了進攻方向，承擔(dān)了一部分西線戰(zhàn)事，幫助桂軍第十三師獲得重整的時間，而這個變動也是拖延了第二次衡陽戰(zhàn)役的進展。
九月八號，國民軍之第一混成旅歷盡半個月激戰(zhàn)后終于擊潰了部署在湘江東部區(qū)域的湖南第三師，迫使湖南第三師向北撤退到數(shù)據(jù)衡陽數(shù)十里外的大浦鎮(zhèn)，然而戰(zhàn)役時間拖的太長，加上并沒有重創(chuàng)湖南第三師，只是擊退了而已，湖南第三師撤退到大浦后依舊保持了一定的戰(zhàn)斗力，使得第一混成旅快速攻占衡東的戰(zhàn)役企圖就落空了，于是第一混成旅干脆就放棄了進攻衡東，而是尋找機會直接度過湘江，切斷衡陽北洋軍的退路。
九月十三號，俞紹瀛的第十師再一次發(fā)動進攻，依靠兵力優(yōu)勢再一次擊潰北洋軍一部分的兵力，這個時候西部方向的桂軍第十三師也是從之前的打擊中恢復(fù)了過來，在西部方向發(fā)起了配合進攻。
第十師匯集主力在衡陽城區(qū)內(nèi)和北洋軍主力展開激戰(zhàn)，隨后攻占衡陽城區(qū)，北洋軍第七旅殘部向北撤退，湖南省陸軍第二師一部分被桂軍第十三師糾纏住了，剩下一部分則是被第十師糾纏住，第一混成旅試圖渡江切斷北洋軍退路，但是被湖南省陸軍第三師所牽制而未能完成，導(dǎo)致讓北洋軍第七旅和一部分湖南省陸軍向北撤退，不過此時湘江西岸北逃的北洋軍和湘軍加在一起也不足五千之?dāng)?shù)了。
此役雖然沒能夠做到和巢湖戰(zhàn)役一樣圍殲敵軍主力，而且耗時很長，整整持續(xù)了將近一個月的時間才拿了下來，不過戰(zhàn)果也算不小，湖南南部地區(qū)的兩個湖南省陸軍和一個北洋軍第七旅以及數(shù)千其他湖南省雜牌部隊幾乎被殲滅了半數(shù)，北洋軍嫡系的第四師之第七旅只剩下一千多人北逃，另外一起北逃的還有三千多湖南省雜牌軍。唯一保持了較為完整編制的只剩下一個湖南省陸軍第三師，而湖南省陸軍第二師可以說已經(jīng)是被成建制的消滅。加上之前的國民軍在梓州發(fā)動的戰(zhàn)役、桂軍在永州發(fā)動的戰(zhàn)役，幾乎是掃平了湖南南部的北洋軍以及湖南省南部的本地軍閥勢力，包括殺傷，俘虜、投降在內(nèi)一共取得了至少殲滅敵北洋軍三千余人，敵湖南省陸軍一萬余人的戰(zhàn)果。
由于湖南方向只是次要戰(zhàn)場，加上統(tǒng)帥部對拿下湖南也沒有急迫的時間要求，并沒有給林成坤的第四軍定下很急的時間限制，所以第四軍在湖南戰(zhàn)役中一直保持了很保守的作戰(zhàn)方式，進展雖然不大，也沒有一局定乾坤的大決戰(zhàn)，但是這種穩(wěn)扎穩(wěn)打的方式卻是極為適合第四軍在湖南地區(qū)的作戰(zhàn)，有效的控制了自身的傷亡，進攻湖南南部地區(qū)的第十師和第一混成旅作戰(zhàn)兩個多月以來，總數(shù)的傷亡連千人都不到，陣亡的只有數(shù)百人而已。
反倒同為南方聯(lián)軍的桂軍傷亡不小，先前進攻永州的時候桂軍和對面的湖南省陸軍是半徑八兩，而陸榮廷有急著拿下永州，試圖擴大地盤所以是打的很急，以至于前線部隊損傷不小，進攻的主力桂軍之第六混成旅損傷過半，后續(xù)戰(zhàn)斗中不得不停止前進并留在了永州休整，值得桂軍只能派遣第十三師參與了衡陽戰(zhàn)役。
盡管陸榮廷已經(jīng)著重吩咐過前線部隊要保存力量，硬仗讓國民軍去打，自個在后面撿便宜就行了，一個月的進攻當(dāng)中也是沒怎么出力，主要是靠國民軍在南線進攻，桂軍負責(zé)的西線都是三天打魚兩天曬網(wǎng)干看戲，可是北洋軍為了達成長期堅守衡陽的目的，試圖前期集中優(yōu)勢兵力殺傷一部分南方聯(lián)軍，北洋軍也知道挑個軟趴趴的對手好過和國民軍硬拼，于是乎桂軍雖然沒主動進攻但是依舊遭到了北洋軍的主力反擊，進而傷亡慘重，等攻占了衡陽后，原本有一萬多人的第十三師就只剩下七千多了，整整傷亡了三千多人。
陸榮廷得知了前線損失慘重的時候，臉色黑的可怕，而在得知國民軍前后一共的損失才千人不到的時候，他心里就更不是味道了。要知道他派往湖南作戰(zhàn)的第六混成旅和第十三師加起來，這傷亡已經(jīng)是超過了六千人，并且他還知道這攻占衡陽的主力可是國民軍的第十師，可不是他的桂軍。
“難道差距就這么大？”陸榮廷是有些不太相信的，國民軍能打他是相信的，但是他不相信國民軍這么能打。