九月上旬，休整了数天并补充了大批作战物资后，衡阳地区的国民军第十师和第一混成旅联合桂军第十三师发起了第二轮衡阳战役，此次战役以第十师为主力，第一混成旅从东部配合，向衡阳核心防御地区挺进，而西部则是由桂军之第十三师负责。战役发起后进展较第一次衡阳战役迅速，九月三号第十师就集中兵力率先击溃了北洋军之防御主力第七旅下属一团，不过随后向衡阳地区挺进的过程中，桂军之第十三师一团遭遇北洋军反击溃败，牵连第十三师形成整体后撤，造成西面战线寸步不能进，西线不进反对，也让南部战线的第十师受到了牵连，侧翼被北洋军所所谓，不得已之下第十师重新调整了进攻方向，承担了一部分西线战事，帮助桂军第十三师获得重整的时间，而这个变动也是拖延了第二次衡阳战役的进展。
九月八号，国民军之第一混成旅历尽半个月激战后终于击溃了部署在湘江东部区域的湖南第三师，迫使湖南第三师向北撤退到数据衡阳数十里外的大浦镇，然而战役时间拖的太长，加上并没有重创湖南第三师，只是击退了而已，湖南第三师撤退到大浦后依旧保持了一定的战斗力，使得第一混成旅快速攻占衡东的战役企图就落空了，于是第一混成旅干脆就放弃了进攻衡东，而是寻找机会直接度过湘江，切断衡阳北洋军的退路。
九月十三号，俞绍瀛的第十师再一次发动进攻，依靠兵力优势再一次击溃北洋军一部分的兵力，这个时候西部方向的桂军第十三师也是从之前的打击中恢复了过来，在西部方向发起了配合进攻。
第十师汇集主力在衡阳城区内和北洋军主力展开激战，随后攻占衡阳城区，北洋军第七旅残部向北撤退，湖南省陆军第二师一部分被桂军第十三师纠缠住了，剩下一部分则是被第十师纠缠住，第一混成旅试图渡江切断北洋军退路，但是被湖南省陆军第三师所牵制而未能完成，导致让北洋军第七旅和一部分湖南省陆军向北撤退，不过此时湘江西岸北逃的北洋军和湘军加在一起也不足五千之数了。
此役虽然没能够做到和巢湖战役一样围歼敌军主力，而且耗时很长，整整持续了将近一个月的时间才拿了下来，不过战果也算不小，湖南南部地区的两个湖南省陆军和一个北洋军第七旅以及数千其他湖南省杂牌部队几乎被歼灭了半数，北洋军嫡系的第四师之第七旅只剩下一千多人北逃，另外一起北逃的还有三千多湖南省杂牌军。唯一保持了较为完整编制的只剩下一个湖南省陆军第三师，而湖南省陆军第二师可以说已经是被成建制的消灭。加上之前的国民军在梓州发动的战役、桂军在永州发动的战役，几乎是扫平了湖南南部的北洋军以及湖南省南部的本地军阀势力，包括杀伤，俘虏、投降在内一共取得了至少歼灭敌北洋军三千余人，敌湖南省陆军一万余人的战果。
由于湖南方向只是次要战场，加上统帅部对拿下湖南也没有急迫的时间要求，并没有给林成坤的第四军定下很急的时间限制，所以第四军在湖南战役中一直保持了很保守的作战方式，进展虽然不大，也没有一局定乾坤的大决战，但是这种稳扎稳打的方式却是极为适合第四军在湖南地区的作战，有效的控制了自身的伤亡，进攻湖南南部地区的第十师和第一混成旅作战两个多月以来，总数的伤亡连千人都不到，阵亡的只有数百人而已。
反倒同为南方联军的桂军伤亡不小，先前进攻永州的时候桂军和对面的湖南省陆军是半径八两，而陆荣廷有急着拿下永州，试图扩大地盘所以是打的很急，以至于前线部队损伤不小，进攻的主力桂军之第六混成旅损伤过半，后续战斗中不得不停止前进并留在了永州休整，值得桂军只能派遣第十三师参与了衡阳战役。
尽管陆荣廷已经着重吩咐过前线部队要保存力量，硬仗让国民军去打，自个在后面捡便宜就行了，一个月的进攻当中也是没怎么出力，主要是靠国民军在南线进攻，桂军负责的西线都是三天打鱼两天晒网干看戏，可是北洋军为了达成长期坚守衡阳的目的，试图前期集中优势兵力杀伤一部分南方联军，北洋军也知道挑个软趴趴的对手好过和国民军硬拼，于是乎桂军虽然没主动进攻但是依旧遭到了北洋军的主力反击，进而伤亡惨重，等攻占了衡阳后，原本有一万多人的第十三师就只剩下七千多了，整整伤亡了三千多人。
陆荣廷得知了前线损失惨重的时候，脸色黑的可怕，而在得知国民军前后一共的损失才千人不到的时候，他心里就更不是味道了。要知道他派往湖南作战的第六混成旅和第十三师加起来，这伤亡已经是超过了六千人，并且他还知道这攻占衡阳的主力可是国民军的第十师，可不是他的桂军。
“难道差距就这么大？”陆荣廷是有些不太相信的，国民军能打他是相信的，但是他不相信国民军这么能打。
而根据前线将领的回报，说和桂军联合作战的国民军第十师说起素质来也没有多高，那些国民军士兵们虽然一个个吃饱喝足鸡鸭鱼肉都有，但是顶多就是身体强壮一些，远没到神兵神将的地步，那些普通国民军军官们虽然嘴上天天叫嚷着国社党万岁，陈敬云万岁一个个看起来都不怕死的样子，但是真上了战场后全都是躲在后边的角色，反正桂军就从来没见过国民军营长以上的军官带头冲锋勇敢作战的例子，一打听，竟然被告知国民军中严禁中高级军官带头冲锋，这让桂军将领们感到不可思议。甚至一段时间内认为国民军上下都是怕死，没有勇气的懦夫角色，而起国民军里头小规模部队被北洋军击败击溃的例子也时有发生，这就更让桂军将领更加鄙视国民军的军官和士兵的素质了。
而对中高级军官的指挥能力，桂军将领对国民军的评价也不高，至少在衡阳战役中，桂军的诸多高级将领对国民军的指挥是有些看不上眼的，持续了一个月的战役中几乎没有任何指挥上的亮点，没有奇袭，没有以少胜多，没有坚守不退，总之桂军是怎么也看不出来这支国民军身上有着优秀军队的素质，更加不理解陈敬云怎么能靠如此素质的部队就夺下了东南数省奠定了争霸基础，更加不理解怎么能够和北洋军硬拼。
不过桂军很快就是找到了理由，那就是国民军的装备好！
国民军的装备极好那是国人是很多人都知道的，而这个第十师也算是让桂军开了眼界，不但是清一色的汉阳造，还有整整一个团三十多门五十七公厘速射山炮（60毫米速射山炮），还有大批的轻重机枪，这些装备让那些桂军将领们看了直流口水，说起来桂军也是有汉阳造的，也是有机枪的，也是有山炮的，但是却不可能做到和国民军这么大的规模。
桂军的装备大多数都是以前从前清新军的武器，少部分是辛亥后小批量进口的，另外有一份则是向各大军阀买的，比如他向国民军就买了一大批枪支，汉阳、日造，曼利夏都有。其实步枪还好说，虽然型号繁多复杂了些，但是多少能保证数量，而要想做到和国民军这样统一口径和制式就无法办到了。这年代的中国军队要统一步枪的话难度不小，就算是国民军也只能统一了口径和弹药，但是步枪任旧是列装了三种之多。而北洋则是连弹药都无法统一，有些部队是日造步枪的六点五毫米子弹，有些部队88式以及汉阳造的七点九二圆弹，而辛亥后北洋军大规模扩编，那些主力师虽然编制没变动过，但是所辖的兵力大多都是超过了编制，有着独立旅、独立团或者补充旅、补充团的编外编制，加上历次作战造成的损失，就使得了北洋军各师已经极难保持当初的每一个师都保持统一制式的规模了。
北洋军如此，其他军阀就更糟糕了，南方三大军阀当中的滇军和桂军装备的步枪型号复杂，基本上什么型号都有，不管是日造步枪还是汉阳造又或者是曼利夏，以及其他各种步枪都有，加上各部队的装备一分发下去后根本就没机会重新整理，所以就造成了几乎每一支部队里都存在着好几种不同枪支和子弹的口诀，比如这第十三师就是有这日造步枪和汉阳造，另外还有小部分的法国步枪。
不过步枪无法统一，口径也无法统一，但是步枪数量好歹是足够了，主力部队总算不用装备那些单发后装枪甚至是前装枪。
但是机枪和火炮陆荣廷就无能为力了。