1941年12月下旬，日軍發動第三次長沙會戰，集結兵力約十萬人左右，從贛北、鄂南一帶出發，向長沙進攻。國軍第一線部隊逐次抵抗之後，都順利轉入外線，日軍乘勝急進，不顧後方道路被國軍和當地群眾眼中破壞，後勤補給困難，尤其是炮彈運輸不上來，前線消耗卻越來越大，直奔長沙，很快對長沙形成北面、東面和南面三面合圍，并從元旦開始發起攻擊。
此時駐守長沙的是第十軍，軍長李玉堂，一個師駐紮在河西手嶽麓山，兩個師在長沙城區依托工事進行防禦，守城以方先覺的預備第十師為主力。薛嶽唯恐長沙有失，爐膛被日軍擊穿，于是急調韓浚的七十七師增援，協助守長沙。韓浚到達長沙後，與李玉堂聯絡，李玉堂随即将原本部署在河西守嶽麓山的一個師調到城區，加強防禦，守衛嶽麓山的任務則交給韓浚的七十七師。
日軍突破國軍第一線部隊的防禦線後，一路向長沙急進，而國軍則在順利轉入外線之後，一邊分兵阻擊日軍後援部隊，一邊向日軍銜尾追擊，進入長沙外線。這樣，隻要第十軍在長沙死戰不退，爐膛不破，就可以在長沙城下内外夾擊，将日軍壓迫在撈刀河和浏陽河之間的三角地帶進行決戰。而方先覺的預備第十師和第十軍的其它部隊都知道這一點，是以在城外稍作抵抗，即退入城内，依托防禦工事和事先修築好的堅固堡壘進行防禦。
日軍此時出發時攜帶的炮彈已經消耗得差不多了，是以到長沙外圍發起攻擊之後，發現日軍退入城内，就跟着進入城區繼續攻擊，但很快就發現，日軍三面包圍，圍堵漏掉了西面，而西面的嶽麓山是瞰制長沙全城的制高點，上面有國軍的炮兵，除了第十軍的軍屬炮兵之外，薛嶽還特意将戰區的炮兵部隊交給李玉堂指揮，協助作戰。是以，日軍完全在國軍炮兵的火力覆寫之下，并且完全壓制住了日軍炮兵。
預備第十師戰前總計約有七八千人，在此次長沙守衛戰中傷亡超過三分之二，付出了極大代價，但始終堅守陣地，死戰不退，牢牢的将日軍吸引在長沙外圍進行，為外線部隊增援争取了充分的時間。外線部隊趕到後，内外夾擊，将日軍團團包圍，日軍後續增援部隊增援不上來，後勤補給線也被國軍切斷，在長沙很快就陷入了外無援兵，内有強敵，攻長沙無法得手，突圍又特别困難，而且攜帶的補給物資也消耗殆盡的困境。最終隻能在外圍日軍部隊的接應下，倉皇撤退，連陣亡士兵的屍體都來不及處理。
此戰之前，李玉堂因為第二次長沙會戰中第十軍被日軍擊潰，而被重慶軍委會下令撤職，一直到第三次長沙會戰之前才臨時任命他代理軍長。此戰李玉堂率部堅守長沙，為會戰立下頭功，戰後因功升為二十七集團軍副總司令，在守長沙時付出極大代價的預備第十師師長方先覺則升任軍長，第十軍由此也赢得泰山軍的美名。
不過，在1943年的常德會戰中，方先覺率第十軍增援常德時，第三師周慶祥遇敵先逃，預備第十師與日軍發生遭遇戰，師長孫明瑾在率部後退時被日軍飛機掃射陣亡，190師朱嶽部則被薛嶽臨時下令由戰區直接指揮，和暫編五十四時饒少偉部協力防禦另一股日軍。方先覺率領的兩個師在德山附近被日軍擊潰，急電朱嶽要求增援，但朱嶽以戰區另有任務為名，拒不執行方先覺的指令，方先覺為此在電話中與薛嶽大吵一通，關系鬧僵。戰後，他和李玉堂一樣，被重慶軍委會下令撤職，而且，也是和李玉堂被撤職時一樣，又是以鐘彬繼任軍長，鐘彬同樣沒有到任，李玉堂在重慶四處活動之後，方先覺暫時留任，代理軍長職務。
常德會戰結束後，第十軍全軍奉命開到衡陽、衡山一帶整頓補充，之後就駐紮在衡陽、衡山這一帶。是以，到長衡會戰期間，日軍再度進攻長沙得手之後，迅速轉向攻擊衡陽，方先覺以為這下又可以像上次守長沙一樣，隻要自己率部堅守衡陽不失，國軍外圍部隊增援而來，就可以又一次獲得大勝。是以，雖然日軍到達衡陽外圍的攻城部隊達到約三萬人，而第十軍隻有十萬人，但方先覺依然自信滿滿，覺得完全有把握守住。
從六月中旬開始，日軍開始進攻衡陽，第一次攻勢在第十軍的頑強固守之下，很快就攻勢頓挫，隻能暫停攻勢，轉入攻擊外線增援國軍部隊，同時也等待日軍後續部隊增援上來。而外線國軍這次卻掉了鍊子，因為薛嶽事先對日軍大舉進攻毫無安排，仍然計劃在長沙決戰，結果日軍來勢兇猛，國軍第一線部隊并未能夠順利轉入外線，而是在日軍穩紮穩打的進攻之下，逐漸向南後退，“争取外線”并未成功。而留在長沙守城的第四軍，隻守了一天多，就在日軍的進攻之下，全軍潰逃，軍長張德能隻身逃往衡陽。
這樣，衡陽就成了第二線決戰戰場，第十軍又有泰山軍的威名，是以日軍第一次攻勢被擊退之後，方先覺并不緊張，仍在積極備戰，準備再次迎擊日軍攻勢，準備外線部隊增援過來之後，再次内外夾擊日軍。而第十軍的将士也都以為，隻要自己像上次守長沙一樣不掉鍊子，外圍國軍就能增援過來，與敵人在衡陽決戰。沒想到，這次外圍國軍被日軍死死的阻擊在遠離衡陽的戰場之外，除了一支國軍部隊一度增援到與衡陽城隔山相望的距離，其它部隊都未能靠近衡陽，第十軍就變成了毫無意義的死守。
方先覺率領第十軍在衡陽苦戰四十多天，全軍傷亡慘重，僅剩二千多人，此時外圍增援部隊仍然不見蹤影，眼看着薛嶽的天爐戰法已經被日軍破解，第十軍困守孤城，已經是真正的援絕、彈盡、糧竭。方先覺終于怒了，覺得這是薛嶽指揮失誤，而且事先沒有通知他，就讓他在衡陽死守，現在突圍突不出去，也無力再戰，最終選擇了投降。作為一支有過光榮戰績的部隊，最終選擇投降，當然是非常屈辱的，方先覺在對部隊将士講話時說：“不是我們不要國家了，而是國家不要我們了！”實際上，他最終做出的這個選擇，主要是對薛嶽不滿。也是以，投降之後他又輾轉回到重慶，并未受到懲處，反而是丢失長沙的張德能被審判之後執行槍決。