1944年8月7日，方先覺與下屬師長商量後，向重慶發出了一個電報，當時稱之為衡陽守軍“最後一電”，而且被稱為震驚中外的“最後一電”:
敵人今晨由北城突入以後，即在城内展開巷戰。我官兵傷亡殆盡，刻已無兵可資堵擊，職等誓以一死報黨國，勉盡軍人天職，絕不負鈞座平生作育之至意。此電恐系最後一電，來生再見！職方先覺率參謀長孫鳴玉，師長周慶祥，葛先才，容有略，饒少偉同叩！
這個話說得是非常大義凜然的，也是抗戰時期不少國軍将領都曾發出過的豪言壯語之一。不過，其他人發完類似的電報之後，最多就是逃跑，而方先覺此時連逃跑都沒有，而是直接選擇了向日軍投降。
當然，對方先覺的投降過程，一直都有比較大的争議。對岸參加過衡陽保衛戰的一些軍官的回憶也都不太一樣，留在大陸這邊的将士的回憶也是含糊其辭，算是成了一樁曆史懸案。對岸一個比較主流的說法是，方先覺投降是被脅迫的，至于是被誰脅迫的，則沒有定谳。
其中一個說法是當時的第十軍下屬第三師師長周慶祥事先就與日軍已經私下聯系，到日軍突破最後一道防線後，周慶祥看大勢已去，于是主動向日軍投降，并帶着日軍進入了第十軍在衡陽中央銀行分行的地下倉庫的指揮所，脅迫方先覺投降了。不過，後來方先覺逃走，也是周慶祥先逃走的，之後才設法接應方先覺逃走。
第十軍守衡陽時本軍約1.7萬人，暫編五十四師饒少偉部臨時被加強給第十軍參加防守，但暫編五十四師留下的部隊隻有一個團，但師長饒少偉也留下了。滿打滿算，第十軍守城的總兵力也不會超過兩萬。不過，這隻是正規的軍隊，而沒有包括當時參與協助作戰的勤雜人員和民夫，這個數量究竟有多大，一直沒有比較清楚的資料。
第十軍堅守衡陽四十七天，可謂彈盡糧絕，外援也指望不上了。在此期間，方先覺知道薛嶽指望不上，是以他把救援的希望基本上都寄托在重慶的校長身上，曾多次發電報報告衡陽的情況。到7月中旬和下旬，重慶還多次複電，要求方先覺繼續堅守，不要突圍，一定會派部隊增援，并不斷說某某部隊已到某處之類的空頭支票。
實際上當時增援的部隊數量是不少的，隻是外圍部隊各有懷抱，并不是拼死救援。比如第十軍的軍官有人回憶說，當時增援的王耀武集團軍下屬的一個軍長就說，我們救第十軍幹什麼，幫着方先覺出風頭嗎？而最接近衡陽的是廣東部隊六十二軍，一度和衡陽守軍之間隻割一座山頭，卻被日軍反擊打跑了。
是以，到方先覺投降的時候，第十軍究竟還有多少人，也不太清楚。一般的說法是還剩下大約兩千人，但這不包括當時在衡陽城中的傷病員，這個數量大約六七千人。不過，因為初期戰鬥比較激烈，部隊減員比較快，是以到7月下旬之後，就已經不斷把軍部直屬部隊和勤雜人員不斷補充到一線作戰部隊去，才能勉強維持。軍部直屬部隊是包括在第十軍的正規數字裡的，而勤雜人員就不清楚了。
從7月中旬開始，日軍就開始不斷向衡陽城中用飛機撒傳單，離間軍心。這些傳單的内容主要就是說，你們作為軍人已經盡了你們的義務，你們孤軍堅持到現在，我們非常敬佩，但是現在外面已經沒有援軍了，你們再堅守已經沒有意義了，不如投降，可以共建大東亞共榮圈。也有傳單說，你們已經被國家抛棄了，沒有援軍了，還是早日投降吧。
按照對岸某些參戰軍官的回憶，在投降後，日軍司令官橫山勇和畑俊六都曾會見過方先覺，當然，他們的回憶裡，方先覺在這些人面前也是大義凜然的，明确表示投降是因為殘部和傷員的生命安全，否則他絕不會投降，日軍也保證不傷害殘存的傷病員。但實際上，在投降後，第十軍餘部和恢複的傷病員被改編為和平軍，但仍然遭到了日軍的瘋狂屠殺，曾有一個看守俘虜的日軍監獄長每天都要殺死一個俘虜，總計殺死一百多人。
方先覺後來幾乎被國軍的宣傳包裝成了關羽降漢不降曹的翻版重演，這也有多方面的原因。但其中一個不能忽略的原因是重慶與薛嶽、方先覺之間比較複雜的關系。方先覺和薛嶽的沖突出現在常德會戰期間，之後就一直不太和諧。重慶要求薛嶽向湘西撤退，而薛嶽卻撤到湘東湘贛交界一帶去了，是以外圍增援基本上都由重慶直接發指令進行指揮。
但方先覺算是力竭而降，而且重慶曾再7月中旬要求他再堅守一星期，援軍必到，結果是方先覺都堅守三個星期了，援軍還沒來。是以，不是方先覺自己不賣力，而是外圍援軍增援作戰不力，才将第十軍陷于死地。而且，投降之後，方先覺也沒有怎麼參加對國軍的作戰，之後又逃出來跑回去了，是以重慶仍然以英雄待他。
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