1944年8月7日，方先觉与下属师长商量后，向重庆发出了一个电报，当时称之为衡阳守军“最后一电”，而且被称为震惊中外的“最后一电”:
敌人今晨由北城突入以后，即在城内展开巷战。我官兵伤亡殆尽，刻已无兵可资堵击，职等誓以一死报党国，勉尽军人天职，绝不负钧座平生作育之至意。此电恐系最后一电，来生再见！职方先觉率参谋长孙鸣玉，师长周庆祥，葛先才，容有略，饶少伟同叩！
这个话说得是非常大义凛然的，也是抗战时期不少国军将领都曾发出过的豪言壮语之一。不过，其他人发完类似的电报之后，最多就是逃跑，而方先觉此时连逃跑都没有，而是直接选择了向日军投降。
当然，对方先觉的投降过程，一直都有比较大的争议。对岸参加过衡阳保卫战的一些军官的回忆也都不太一样，留在大陆这边的将士的回忆也是含糊其辞，算是成了一桩历史悬案。对岸一个比较主流的说法是，方先觉投降是被胁迫的，至于是被谁胁迫的，则没有定谳。
其中一个说法是当时的第十军下属第三师师长周庆祥事先就与日军已经私下联系，到日军突破最后一道防线后，周庆祥看大势已去，于是主动向日军投降，并带着日军进入了第十军在衡阳中央银行分行的地下仓库的指挥所，胁迫方先觉投降了。不过，后来方先觉逃走，也是周庆祥先逃走的，之后才设法接应方先觉逃走。
第十军守衡阳时本军约1.7万人，暂编五十四师饶少伟部临时被加强给第十军参加防守，但暂编五十四师留下的部队只有一个团，但师长饶少伟也留下了。满打满算，第十军守城的总兵力也不会超过两万。不过，这只是正规的军队，而没有包括当时参与协助作战的勤杂人员和民夫，这个数量究竟有多大，一直没有比较清楚的数据。
第十军坚守衡阳四十七天，可谓弹尽粮绝，外援也指望不上了。在此期间，方先觉知道薛岳指望不上，所以他把救援的希望基本上都寄托在重庆的校长身上，曾多次发电报报告衡阳的情况。到7月中旬和下旬，重庆还多次复电，要求方先觉继续坚守，不要突围，一定会派部队增援，并不断说某某部队已到某处之类的空头支票。
实际上当时增援的部队数量是不少的，只是外围部队各有怀抱，并不是拼死救援。比如第十军的军官有人回忆说，当时增援的王耀武集团军下属的一个军长就说，我们救第十军干什么，帮着方先觉出风头吗？而最接近衡阳的是广东部队六十二军，一度和衡阳守军之间只割一座山头，却被日军反击打跑了。
所以，到方先觉投降的时候，第十军究竟还有多少人，也不太清楚。一般的说法是还剩下大约两千人，但这不包括当时在衡阳城中的伤病员，这个数量大约六七千人。不过，因为初期战斗比较激烈，部队减员比较快，所以到7月下旬之后，就已经不断把军部直属部队和勤杂人员不断补充到一线作战部队去，才能勉强维持。军部直属部队是包括在第十军的正规数字里的，而勤杂人员就不清楚了。
从7月中旬开始，日军就开始不断向衡阳城中用飞机撒传单，离间军心。这些传单的内容主要就是说，你们作为军人已经尽了你们的义务，你们孤军坚持到现在，我们非常敬佩，但是现在外面已经没有援军了，你们再坚守已经没有意义了，不如投降，可以共建大东亚共荣圈。也有传单说，你们已经被国家抛弃了，没有援军了，还是早日投降吧。
按照对岸某些参战军官的回忆，在投降后，日军司令官横山勇和畑俊六都曾会见过方先觉，当然，他们的回忆里，方先觉在这些人面前也是大义凛然的，明确表示投降是因为残部和伤员的生命安全，否则他绝不会投降，日军也保证不伤害残存的伤病员。但实际上，在投降后，第十军余部和恢复的伤病员被改编为和平军，但仍然遭到了日军的疯狂屠杀，曾有一个看守俘虏的日军监狱长每天都要杀死一个俘虏，总计杀死一百多人。
方先觉后来几乎被国军的宣传包装成了关羽降汉不降曹的翻版重演，这也有多方面的原因。但其中一个不能忽略的原因是重庆与薛岳、方先觉之间比较复杂的关系。方先觉和薛岳的矛盾出现在常德会战期间，之后就一直不太和谐。重庆要求薛岳向湘西撤退，而薛岳却撤到湘东湘赣交界一带去了，所以外围增援基本上都由重庆直接发命令进行指挥。
但方先觉算是力竭而降，而且重庆曾再7月中旬要求他再坚守一星期，援军必到，结果是方先觉都坚守三个星期了，援军还没来。所以，不是方先觉自己不卖力，而是外围援军增援作战不力，才将第十军陷于死地。而且，投降之后，方先觉也没有怎么参加对国军的作战，之后又逃出来跑回去了，所以重庆仍然以英雄待他。
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