9月15日，日军第三十七师团到达邵阳东北的资江岸边，一面在沿岸部署兵力，一面用汽艇以及木筏、竹筏强渡资江。
负责守备邵阳城的是五十七师一七一团，乃是常德保卫战的主力军。团长杜鼎劫后余生，被公认是一员勇敢善战的虎将。此外，一个军属炮兵连也被留下协同守卫邵阳。
邵阳保卫战既是坚守防御，也是专守防御，其特点是可用以防守的兵力有限，无法随意调拨，面对一片汪洋的水泽地带，出击、牵制、佯动等战术手段都难以施展，而日军却可以从水上实施多方位攻击。
这是不利的地方，五十七师的有利之处在于，自武汉会战起，中日两军的主战场便没有离开过江河湖塘。逢到水上登陆战，一般情况下，总是日方强渡，中方迎击，中国军队也因此积累了丰富的反登陆战经验。
只要日军一在水面上进行活动，第一线防御部队便可以派出一名观测员，对敌我距离进行目测，以便为指挥射击提供依据。
通常在日军进入1500米的距离范围以内，炮兵连就要进行射击。同时为避免日军炮击己方前沿阵地，减少不必要的损失，第一线步兵最好以班为单位，暂时退到预先构筑的第二线阵地上去。待观测员观测到日军进至四百米附近时，再跃入前沿进行战斗。
步兵射击的有利时机，则应选择在日军径直跳水上岸，直接向阻击阵地发起冲击的瞬间，此时构成的交叉火力网会对日军造成最大杀伤。即便阻击阵地有一处被突破，也不要过于慌乱，突破口两侧的守军若能指挥得当，马上就能以火力将后续敌人封住。
在登陆战和反登陆战的过程中，资江岸边一天到晚响彻着激烈的枪弹声和喊杀声。日军的强渡被屡次击退，守军击沉汽艇七艘，打死日军四百多人。经过一个多星期的激战，日军才得以在邵阳城东登陆，随后攻占了城东、城南的警戒阵地。
东门外的每一处高地都被一七一团充分利用起来，构筑出若干个星罗棋布的据点，各据点之间既独立支撑，又相互策应，以消耗迟滞为手段，对敌人的有生力量进行削弱。
见进攻受阻，日军开始发射燃烧弹和毒气弹，城内外十多处地方被大火点燃，全城火光冲天，毒气弥漫。邵阳乃是一座有两千多年历史的古城，转瞬间也像常德、衡阳一样，从一个完整昌盛的市镇变成了满目疮痍、令人目不忍睹的瓦砾场。
战至9月27日，一七一团已死伤六百多人，其中第二营更是伤亡殆尽。
夜色渐浓，城外守军开始有秩序地撤入城内。日军第三十七师团第二二五联队发现城外防守阵地上一片静寂，他们搜索前进，结果一直走到城边也没有看到一个守军，于是便想当然地向师团报告，说中国军队已经弃城而去。
打了这么多天都没能攻下邵阳，师团长的心火都快被急出来了。一接到这份报告，没有再进行侦察核实，他便向横山勇发出报告：“27日晚间已占领宝庆（邵阳）。”
当下，日军二二五联队、二二六联队便大模大样地由东门向城内开进，但他们没料到的是，一七一团根本就没有离开，而是在占据新的防御阵地后，就地在城内设置了伏击圈。
若单纯以歼敌手段而论，巷战比水面歼敌更为有利，因为日军的炮火优势势必受到一定限制。同时杜鼎这些中方指挥官的巷战经验，也绝不少于反登陆战。
巷战强调的是寸土必争。每一间房屋、每一个小巷、每一条街道，都要作为防区控制起来。火力配备也有讲究，不是均衡分配，而是要根据建筑物的高低、坚固程度以及前后左右关系，采取多层次配备，从而使得火网立体化。
在这一配备中，最低处要安排重机枪，特等射手也就是狙击手可以配置在不惹敌人注意的位置，并在射手能够自行掌握的有效射程内，对日军军官、观测点、通讯兵打冷枪，以扰乱其指挥系统。
进入伏击圈的日军猝不及防，在巷战中被予以大量杀伤，师团司令部给横山勇的那份电报也因此成了一个大笑话。
日军第三十七师团只能重回起点，继续围攻。9月28日夜，南门被日军攻破，一个晚上突入八百多人，守卫南门的中国官兵立刻与日军展开肉搏战，他们中的大部分人都在战斗中与敌同归于尽。
随着城内日军越来越多，巷战也更趋激烈。战线上敌中有我，我中有敌，互相穿插，各自为战。此时电话线断了，指挥也不方便，两边士兵逐屋逐垒地进行拉锯和争夺，近距离的火力激战、白刃格斗、手榴弹战主导了整个战场。一七一团虽然伤亡惨重，但仍死死地扼守着城内的部分据点，一间房，一堵墙都不肯轻言放弃。
9月30日，战斗已呈白热化。第二天，一七一团副团长以下均持手榴弹与日军拼死战斗，就连炮弹罄尽的炮兵连也被编成突击队向敌人发起反击。
10月2日凌晨，守军阵地只剩一隅，再也无法继续坚守。一七一团团长杜鼎遂率残部一百五十人分路突围，一路出西门，一路出东南城门，两路均得以顺利突出城外，与主力会合。
邵阳保卫战结束后，横山勇将第三十七师团南调进攻桂林，邵阳地区改由日军第一一六师团守备。至12月10日，桂林、柳州先后失陷，大陆交通线被完全打通，“一号作战”也即豫湘桂会战方告结束。
进入1944年秋季以后，国际反法西斯战争形势已趋于明显好转。可就在这样一个大背景下，中国军队却遭遇了极其惨痛的失败，参战部队中有百分之五十到六十的正规部队都被完全击溃，剩余部队的战斗力也越来越弱，上上下下都为此失去了信心。
这是正面抗日战场上最令人绝望的一段时间。在一次整军会议上，蒋介石痛彻于心地说道：“我今年58岁了，自省平生所受的耻辱，以今年为最大！”