九月上旬，休整了數(shù)天并補(bǔ)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(jìn)，而西部則是由桂軍之第十三師負(fù)責(zé)。戰(zhàn)役發(fā)起后進(jìn)展較第一次衡陽戰(zhàn)役迅速，九月三號(hào)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(tuán)，不過隨后向衡陽地區(qū)挺進(jìn)的過程中，桂軍之第十三師一團(tuán)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(jìn)，西線不進(jìn)反對(duì)，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(jìn)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(shí)間，而這個(gè)變動(dòng)也是拖延了第二次衡陽戰(zhàn)役的進(jìn)展。
九月八號(hào)，國民軍之第一混成旅歷盡半個(gè)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(shí)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(jìn)攻衡東，而是尋找機(jī)會(huì)直接度過湘江，切斷衡陽北洋軍的退路。
九月十三號(hào)，俞紹瀛的第十師再一次發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，依靠兵力優(yōu)勢再一次擊潰北洋軍一部分的兵力，這個(gè)時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)很長，整整持續(xù)了將近一個(gè)月的時(shí)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(gè)湖南省陸軍和一個(gè)北洋軍第七旅以及數(shù)千其他湖南省雜牌部隊(duì)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(gè)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(dòng)的戰(zhàn)役、桂軍在永州發(fā)動(dòng)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(duì)拿下湖南也沒有急迫的時(shí)間要求，并沒有給林成坤的第四軍定下很急的時(shí)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(jìn)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(jìn)攻湖南南部地區(qū)的第十師和第一混成旅作戰(zhàn)兩個(gè)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(jìn)攻永州的時(shí)候桂軍和對(duì)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(kuò)大地盤所以是打的很急，以至于前線部隊(duì)損傷不小，進(jìn)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(jìn)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(duì)要保存力量，硬仗讓國民軍去打，自個(gè)在后面撿便宜就行了，一個(gè)月的進(jìn)攻當(dāng)中也是沒怎么出力，主要是靠國民軍在南線進(jìn)攻，桂軍負(fù)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(dá)成長期堅(jiān)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(gè)軟趴趴的對(duì)手好過和國民軍硬拼，于是乎桂軍雖然沒主動(dòng)進(jìn)攻但是依舊遭到了北洋軍的主力反擊，進(jìn)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(shí)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(shí)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。