在日军第6师团被调往南洋执行任务之后，116师团便成为了日军在中国内地战场的“主力部队”。因此，在长衡会战中，横山勇一采取了与以往不同的策略，以116师团和第68师团为主攻力量，突破了第9战区的新墙河、汨罗江和捞刀河防线，而不再依赖第3和第13师团进行一线突破。

116师团能够取代老牌的第3和第13师团，成为“头牌”的原因，实际上是“矮子里拔高个”。116师团的参战时间较晚，直到武汉会战期间才进入中国战场。但其一亮相便让日军高层印象深刻。原因并非116师团自身特别出色，而是它与战场上其他部队对比下显得稍好。尤其是在南浔线的战斗中，同为特设师团的106师团被打得溃不成军。而116师团在进入战场之前进行过几个月的恢复性训练，而106师团则是组建完成后即被投入战斗，连一天的训练都没有。因此，116师团的作战表现明显优于106师团，战斗力差距直接影响了两支部队的表现。

那么，为什么116师团能够压过第3和第13师团呢？这与第3师团和第13师团在之前的战斗中损失惨重、士气低落有关。第3师团在第三次长沙会战后战斗力急剧下降，老兵几乎消耗殆尽；而第13师团则在第6战区的宜昌反击战中几乎全军覆没。相对而言，116师团虽为特设师团，但其从常德会战后才投入战斗，老兵较多，士气较高，因此在这种情况下，116师团在其他常设师团面前显得更为“强大”。

横山勇在此次战斗中，对第3和第13师团有着特别的安排。他将两支部队部署在东线，分别由第13师团和第3师团组成防线，目标是摧毁驻扎在平江、幕阜山一带的杨森第27集团军。这一决定的背后，日军既有恼怒又无奈，因为杨森的部队在之前的战斗中曾多次侧击日军，给他们造成了不少麻烦。

随着116师团和第68师团突破了新墙河、汨罗江、捞刀河防线，进驻第27集团军防线的中国军队虽然依照“天炉战法”进行顽强抵抗，但还是节节败退，主力逐渐向幕阜山一线撤退。没想到的是，116和68师团并没有像预期那样进攻长沙，而是绕过长沙，直扑衡阳。这一策略让薛岳和杨森措手不及，他们本以为会从两侧发起反攻，未曾料到日军此举让他们处于极为被动的境地。

战斗不断推进，第27集团军在两翼受敌的情况下最终被打垮，西线的中国守军主要由99军和王耀武的第24集团军负责守卫宁乡，而东线则由第44、37、58军守卫浏阳。只要这些关键要地能够保持防守，第9战区就仍然能掌握战场主动权。尽管西线的99军被击溃，东线的浏阳却至关重要。然而，浏阳的防守却岌岌可危。

在东线，由于第44军长期战斗力不足，薛岳急忙请求第3战区的支援。顾祝同派遣了丁治磐的第26军增援。然而，尽管丁治磐行军速度较快，但到达战场时却迷失了方向，战局已经陷入混乱。战场的混乱局面使得增援部队的效果大打折扣。与此同时，原本防守新墙河、汨罗江一带的第20军在得到增援后，却在局势中迎来了转机，王陵基的第30集团军以及第72军加入了战斗，使得日军遭遇了强大的夹击。

然而，尽管有增援力量，战场局势并未显著逆转。尤其是当滇军第58军未能顶住13师团的攻势时，浏阳防线最终告破，导致长沙失守。在此之前，薛岳曾抗命不撤退至湘西，而是选择向湘东南撤退，显得决策非常坚决且合理。毕竟，如果他按命令撤至湘西，就意味着与整个战区的联系会被切断，难以指挥整个战斗。

随着长沙陷落，蒋介石给薛岳下达命令，让其率领残部撤至湘西准备侧击南下日军的侧翼。但薛岳以其深思熟虑的战略眼光拒绝了这一命令，并开始调整部队。日军的战斗力与支援逐渐出现问题，116和68师团的攻势逐步减缓，而第10军的顽强抵抗以及后续增援不断增强了中国军队的反击能力。