在日军第6师团被调往南洋作战后，116师团逐渐成为了日军在中国战场上的主力之一，担任了“头牌”的角色。长衡会战期间，横山勇一改变了之前的战略安排——在过去的大规模战斗中，第3和第13师团常常作为突破的先锋部队，而这次他将116师团与68师团联合，负责突破中国第9战区防线，包括新墙河、汨罗江和捞刀河一带。
116师团为何能够成为主力而压过了第3和第13师团？这并不是因为116师团本身有多强，而是因为它的对比对象使其相对显得更为出色。116师团虽是特设师团，它进入中国战场的时间较晚，直到武汉会战才首次参战。相比之下，106师团作为另一支特设师团在南浔线的战场上被击得惨败，战斗力差距悬殊。日军事后分析得出，116师团在参战前经过了几个月的恢复性训练，而106师团则直接投入战斗，根本没有时间进行恢复，造成了显著的战斗力差异。116师团虽然在特设师团中表现较好，但其真正能压过第3和第13师团的原因，主要还是因为后者的疲弱。第3师团自从第3次长沙会战后战斗力持续下降，老兵损失惨重；而第13师团则在宜昌反击战中几乎全军覆没。相较之下，116师团虽然是特设师团，但由于其兵员新鲜，作战能力依然较强，因此被提升为甲种师团。
展开剩余70%在横山勇的指挥下，战局逐渐发展。前几次长沙会战中，日军遭遇了极大的困扰：一方面是补给线经常被切断，另一方面来自东线中国部队的侧击也让日军难以应对。东线的主要威胁是杨森的第27集团军，日军对杨森既恼怒又无奈。然而，这一次，横山勇决定通过调整部署来解决这些问题。他将第3和第13师团调到东线，前者负责在平江、幕阜山一线协同进攻，主要目的是摧毁杨森的第27集团军，并解决后勤补给线被截断的问题。
116师团与68师团联合突破了新墙河、汨罗江和捞刀河防线，成功逼迫守军后撤。第27集团军采用“天炉战法”进行坚决抗击，虽然逐步后撤，最后主力收缩到幕阜山一带。但让薛岳和杨森意外的是，116和68师团并没有继续攻击长沙，而是绕过长沙，直接向衡阳进攻。根据“天炉战法”的思路，中国部队应在两翼侧击日军，但当中国部队开始行动时，日军迅速调动第34和第58师团进行迎击，随后第3和第13师团也开始在平江、幕阜山一线“扫荡”。结果，中国部队陷入了日军的包围，猝不及防，最终第27集团军被彻底击溃。
面对这一局势，薛岳并没有把重心完全放在西线的防守上。他认为，西线虽然失去了宁乡，但只要浏阳能够守住，第9战区的整体战局就能保持优势。然而，东线却成为了他心头的巨大压力。虽然东线的部队并不强大，川军和滇军的战斗力有限，但薛岳依然在紧急调动部队支援。然而，第44军在浏阳的防守未能成功，而在长沙的局势也不容乐观。第3师团和第13师团的联手进攻逐渐向长沙逼近，最终长沙陷落，整个防线溃不成军。
长沙的失守让薛岳的军事判断受到质疑。他坚决拒绝了撤退到湘西的命令，选择将部队撤至湘东南地区。这一决定在战略上看似有理，但也让日军失去了对薛岳后方的威胁，得以轻松推进到衡阳。衡阳成为了战局中的关键点，尽管日军连续两次进攻都未能攻下衡阳，但由于薛岳的部队不再有效威胁，横山勇决定采取更为激进的策略。日军集结了更多兵力进行第三次进攻，最终攻占衡阳。
衡阳的战斗让薛岳意识到，局势已经无法逆转。然而，尽管面对日军的强攻，第9战区的一些部队，尤其是川军和其他杂牌军的表现超出了预期，他们顽强的抵抗为整个长沙战役争取了宝贵的时间。虽然日军最终占领了长沙，但中国军队在其他战场上依然进行顽强抵抗，最终为长时间的抗战赢得了战略上的主动权。
长沙战役的失利并不是中国军队的失败，而是中国军队抗战精神的体现。尤其是薛岳在面对困难时的坚决决策，为后续的抗战提供了重要经验。
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