1941年12月下旬，日军发动第三次长沙会战，集结兵力约十万人左右，从赣北、鄂南一带出发，向长沙进攻。国军第一线部队逐次抵抗之后，都顺利转入外线，日军乘胜急进，不顾后方道路被国军和当地民众眼中破坏，后勤补给困难，尤其是炮弹运输不上来，前线消耗却越来越大，直奔长沙，很快对长沙形成北面、东面和南面三面合围，并从元旦开始发起攻击。
此时驻守长沙的是第十军，军长李玉堂，一个师驻扎在河西手岳麓山，两个师在长沙城区依托工事进行防御，守城以方先觉的预备第十师为主力。薛岳唯恐长沙有失，炉膛被日军击穿，于是急调韩浚的七十七师增援，协助守长沙。韩浚到达长沙后，与李玉堂联络，李玉堂随即将原本部署在河西守岳麓山的一个师调到城区，加强防御，守卫岳麓山的任务则交给韩浚的七十七师。
日军突破国军第一线部队的防御线后，一路向长沙急进，而国军则在顺利转入外线之后，一边分兵阻击日军后援部队，一边向日军衔尾追击，进入长沙外线。这样，只要第十军在长沙死战不退，炉膛不破，就可以在长沙城下内外夹击，将日军压迫在捞刀河和浏阳河之间的三角地带进行决战。而方先觉的预备第十师和第十军的其它部队都知道这一点，所以在城外稍作抵抗，即退入城内，依托防御工事和事先修筑好的坚固堡垒进行防御。
日军此时出发时携带的炮弹已经消耗得差不多了，所以到长沙外围发起攻击之后，发现日军退入城内，就跟着进入城区继续攻击，但很快就发现，日军三面包围，围堵漏掉了西面，而西面的岳麓山是瞰制长沙全城的制高点，上面有国军的炮兵，除了第十军的军属炮兵之外，薛岳还特意将战区的炮兵部队交给李玉堂指挥，协助作战。因此，日军完全在国军炮兵的火力覆盖之下，并且完全压制住了日军炮兵。
预备第十师战前总计约有七八千人，在此次长沙守卫战中伤亡超过三分之二，付出了极大代价，但始终坚守阵地，死战不退，牢牢的将日军吸引在长沙外围进行，为外线部队增援争取了充分的时间。外线部队赶到后，内外夹击，将日军团团包围，日军后续增援部队增援不上来，后勤补给线也被国军切断，在长沙很快就陷入了外无援兵，内有强敌，攻长沙无法得手，突围又特别困难，而且携带的补给物资也消耗殆尽的困境。最终只能在外围日军部队的接应下，仓皇撤退，连阵亡士兵的尸体都来不及处理。
此战之前，李玉堂因为第二次长沙会战中第十军被日军击溃，而被重庆军委会下令撤职，一直到第三次长沙会战之前才临时任命他代理军长。此战李玉堂率部坚守长沙，为会战立下头功，战后因功升为二十七集团军副总司令，在守长沙时付出极大代价的预备第十师师长方先觉则升任军长，第十军由此也赢得泰山军的美名。
不过，在1943年的常德会战中，方先觉率第十军增援常德时，第三师周庆祥遇敌先逃，预备第十师与日军发生遭遇战，师长孙明瑾在率部后退时被日军飞机扫射阵亡，190师朱岳部则被薛岳临时下令由战区直接指挥，和暂编五十四时饶少伟部协力防御另一股日军。方先觉率领的两个师在德山附近被日军击溃，急电朱岳要求增援，但朱岳以战区另有任务为名，拒不执行方先觉的命令，方先觉为此在电话中与薛岳大吵一通，关系闹僵。战后，他和李玉堂一样，被重庆军委会下令撤职，而且，也是和李玉堂被撤职时一样，又是以钟彬继任军长，钟彬同样没有到任，李玉堂在重庆四处活动之后，方先觉暂时留任，代理军长职务。
常德会战结束后，第十军全军奉命开到衡阳、衡山一带整顿补充，之后就驻扎在衡阳、衡山这一带。因此，到长衡会战期间，日军再度进攻长沙得手之后，迅速转向攻击衡阳，方先觉以为这下又可以像上次守长沙一样，只要自己率部坚守衡阳不失，国军外围部队增援而来，就可以又一次获得大胜。因此，虽然日军到达衡阳外围的攻城部队达到约三万人，而第十军只有十万人，但方先觉依然自信满满，觉得完全有把握守住。
从六月中旬开始，日军开始进攻衡阳，第一次攻势在第十军的顽强固守之下，很快就攻势顿挫，只能暂停攻势，转入攻击外线增援国军部队，同时也等待日军后续部队增援上来。而外线国军这次却掉了链子，因为薛岳事先对日军大举进攻毫无安排，仍然计划在长沙决战，结果日军来势凶猛，国军第一线部队并未能够顺利转入外线，而是在日军稳扎稳打的进攻之下，逐步向南后退，“争取外线”并未成功。而留在长沙守城的第四军，只守了一天多，就在日军的进攻之下，全军溃逃，军长张德能只身逃往衡阳。
这样，衡阳就成了第二线决战战场，第十军又有泰山军的威名，因此日军第一次攻势被击退之后，方先觉并不紧张，仍在积极备战，准备再次迎击日军攻势，准备外线部队增援过来之后，再次内外夹击日军。而第十军的将士也都以为，只要自己像上次守长沙一样不掉链子，外围国军就能增援过来，与敌人在衡阳决战。没想到，这次外围国军被日军死死的阻击在远离衡阳的战场之外，除了一支国军部队一度增援到与衡阳城隔山相望的距离，其它部队都未能靠近衡阳，第十军就变成了毫无意义的死守。
方先觉率领第十军在衡阳苦战四十多天，全军伤亡惨重，仅剩二千多人，此时外围增援部队仍然不见踪影，眼看着薛岳的天炉战法已经被日军破解，第十军困守孤城，已经是真正的援绝、弹尽、粮竭。方先觉终于怒了，觉得这是薛岳指挥失误，而且事先没有通知他，就让他在衡阳死守，现在突围突不出去，也无力再战，最终选择了投降。作为一支有过光荣战绩的部队，最终选择投降，当然是非常屈辱的，方先觉在对部队将士讲话时说：“不是我们不要国家了，而是国家不要我们了！”实际上，他最终做出的这个选择，主要是对薛岳不满。也因此，投降之后他又辗转回到重庆，并未受到惩处，反而是丢失长沙的张德能被审判之后执行枪决。
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