白崇禧又将主力东调，令第48军第138师和第7军第172师进至渣江以南，阻止中路军南进；令第46军第188师、第97军第33师、第7军第224师、第58军第183师和第126军第304师共5个师，由第3兵团司令官张淦指挥，从东西两面向渣江的解放军第40军夹击；令第46军第174、第236师集结于衡阳，作预备队；令第126军第305师和第97军暂编第1师西调武冈、新宁，以保障其左安全，企图阻止西路军东进。
四野前委得知上述情况后，于10月5日10时30分电令第12、第13兵团及其所属各军：
目前敌之企图不是撤退，而是与我决战……在此情况下，我军应集结兵力进行充分的攻击准备，然后待命攻击。……作战部署是：以41、45两军及40、49军之各一部首先围歼水东江、宋家塘地区之敌……
5日12时，四野完成了兵力部署之后，又致电中央军委：
（一）自我向衡宝线开始前进暴露以后，白崇禧即迅速将驻乐昌之四十六军、驻郴州之九十七军、驻耒阳之四十八军以火车陆续调至衡宝之间，配合原在该地之七军、七十一军及一二六军之一个师，五十八军之一部企图与我决战。敌之力量相当强大。
（二）我三十八、三十九两军已占芷江、黔阳，黄杰不战而退。
（三）我集结优势兵力而歼敌，本日已令三十八、三十九两军向宝庆、祁阳间前进，准备参加衡宝线决战，届时如敌改变与我决战计划时，该两军即中途向全州前进。
（四）今后向广西进军，我以5个军采取较靠拢的并进，如敌与我决战，则我亦能作战，如敌退，则我仍能向前推进。如我兵力太分散，则遇作战情况会反而不能作战，而遇敌退时，由于各路兵力不足，亦无法堵住敌人。
（五）桂军行动狡猾迅速，长于山地作战，我部队已有多次吃过其小亏。
……中央军委复电，同意了四野作战部署。
10月5日，中路军主力按照四野前委的指令，停止于衡宝线以北地区待命。第45军第135师由于在急行军中，因为没有收到四野前委关于停止前进的命令，全师只好按原定部署行动，当天晚上在衡阳西北的金兰（今金兰寺）乘隙越过衡宝公路，其前卫进至佘田桥正南的沙坪灵官殿行动。第135师这一行动，好像一把尖刀直插白崇禧集团的心脏，使白崇禧大为震惊。
6日拂晓，白以第176师攻击荷公殿的第135师第405团。该团指战员利用有利地形，英勇抗击，激战两小时，将第176师击退。
白崇禧吃了亏之后，决定全线撤退，于6日黄昏电令所属各部收缩兵力，退守新宁、东安、零陵、道县一线；并以一部进击荷公殿、灵官殿地区的解放军第135师，之后西进武冈、洞口，堵击东进的西路军，担负掩护主力撤退任务。
6日下午，第135师由灵官殿向石珠桥、赤壁岭、龙井江开进。白崇禧以第7、第48军部的5个师主力向第135师发起猛烈攻击。
林彪、邓子恢电令第135师：中路军主力正在追击逃敌，你们应坚守阵地，抗击、截击敌人，采取灵活机动的战术处置各种情况……10月8日拂晓，解放军第403团主力经过一夜穿插，与师主力会合了。这天清晨又下起了小雨，双方再次发生激战，桂系的王牌第7军已陷入重围之中。
9日夜，白崇禧命令被围的4个师全力突围。其中第172师和第138师一部数次向黄土铺的解放军第135师阵地猛攻，妄图向西突围，均被击退。白部第171师向南突围，先后18次攻击铁栏桥、茅草岭的解放军第119师阵地，激战26个小时，均被击退。
10日拂晓，四野中路大军向白崇禧部发起总攻，桂军4个师只能进行垂死挣扎。
铁栏桥、茅草岭一带的战斗尤为激烈。敌军先后发起18次大规模攻势，均被击退。到黄昏时，四野大军主力纷纷杀向阵地，桂军各部被分割、穿插，顿时建制大乱，官兵乱纷纷。
10日夜，四野中路大军以大峰山为中心，布下天罗地网，在地方群众的配合下拉网搜俘。
11日上午，密林中的搜剿战遂告结束，衡宝战区的枪炮声渐渐少了起来。
就在四野中路大军解放衡阳等地的同时，西路第38、第39军由芷江地区向东推进，一路势如破竹。
10月9日，第39军攻克武冈县城，歼敌2700人。
10月11日，第49军第145师攻占宝庆。
10月13日，第38军与第49军等部在竹篙塘一带，歼灭弃守宝庆的敌第62师5000余人。
10月14日，第41军第122师攻克儒林，第39军攻克高沙，迫使守敌新编第8军独立第1师1000余人投降。
至此，衡宝战役胜利结束。
此役人民解放军四野中、西两路大军在湘南、湘西两个战场，取得了南下以来最大的胜利，歼灭敌3个军