9月10日之后，四野三路大军挥师前进。
南中国炮火连天，毛泽东等中央领导在北平胸有成竹地等待着捷报。这时，已退居幕后的蒋介石又跳出来了，他怎么能沉住气呢？眼看着大半壁江山已落入中国共产党之手，万般无奈之际，他又重新遥控他的那些残兵败将。他没有想到白崇禧集团这么软弱，在人民解放军的喊杀声中，白崇禧部节节败退，阵地连连失守。
9月13日，四野西路军程子华兵团从常德、桃源等地发出，直扑湘桂黔三省门户芷江。18日占领沅陵，19日占领溆浦，21日攻克泸溪、辰溪。
不到一个星期，白崇禧苦心部署的“湘粤联合防线”已受到严重威胁。为了确保芷江和湘西公路畅通，他将第103军自永丰以西地区调到芷江北面的怀化一带。
为了挽回失利局面，白崇禧又将桂系三个军摆在粤汉铁路线上。其中第7军位于衡阳，第48军位于永兴至耒阳，第46军在乐昌。
正当战局对白崇禧不利时，蒋介石突然来到广州，电邀白崇禧会商国是。
9月22日，白崇禧从衡阳飞抵广州会见蒋介石。
蒋介石变得十分的谦虚了，他和白崇禧交换了对时局的看法之后，突然泪如雨下，他那悲伤、苍老的声音一下子就搞得白崇禧心绪不宁。他说：“回想当年北伐出师，你当了我的参谋长，我们两人精诚团结，合作无间，所以能够取得全国统一。其后我们两个分道扬镳，以致同室操戈。七七卢沟桥事变后，我们两人又携手合作，终于获得抗战的胜利。这些历史教训，使我个人深信，今后局势无论如何困难，只要我们同心同德，真诚合作，则事尚有可为。”
蒋介石的真情打动了白崇禧，他决心捐弃前嫌，与蒋介石再次携手合作。
他们两人交换完意见之后，蒋介石提出了防守西南的战略：
以陕西胡宗南部保卫川北；鄂西宋希濂部屏障川东；华中白崇禧节制的黄杰兵团(重新组建的第一兵团)增援贵州，使川黔能与两广连为一体，张淦兵团、徐启明兵团和鲁道源兵团则兼顾湘南粤北；海南岛的刘安祺兵团调两个军到广州驻防。
白崇禧返回衡阳后，四野中路大军已分头南下，于是他命令分布在广东边境的桂系两个军沿粤汉路北上，集结于衡阳到宝庆(邵阳)一线。
白崇禧变了，他认为只有与解放军决战到底，才有出路，他想寻找对手的弱点，抓住孤军冒进的一路，然后突下杀手攻歼一路，迫使其他各路停止追击，形成在衡宝一线对峙的局面。其实，四野三路大军正在向白崇禧逼近，大迂回大包围的态势已形成。
10月1日。毛泽东在北京天安门城楼上向全世界庄严宣告：“中华人民共和国中央人民政府已于本日成立了……”
就在这一天，四野西路军第38军第113师与防守花桥的第103军第700团遭遇，激战3小时，毙俘其团长以下1300余人，并攻克怀化。第17兵团司令官刘嘉树慌忙率第100军主力及先期西逃芷江的国民党湖南省政府官员从芷江南逃。
10月2日，第38军第112师进占芷江。同日，第39军第117师占领溆浦西南的江口。
10月3日，第38军第113师进占黔阳县城，歼第103军第702团一部，第112师占领会同。
10月4日，第39军第116师占领安江。
此时，中路早已完成了在湘潭、湘乡等地集结，衡宝大战即将拉开序幕。
1949年10月4日的晚上，林彪和萧克制定出了战役计划：
“令已攻占芷江的西路军程子华兵团向东迂回衡宝之敌左侧背；令第十八军由东向西迂回至敌背后，断敌南逃退路。正面之中路军暂勿南进，原地集结，待其他各路大军迂回至指定位置之后，四面包围衡宝之敌，一举而聚歼之。”
野司根据上述指示，即令中路军萧劲光兵团：“现地停止待命，严整备战，以俟我兵力之集中。”
10月5日上午，野司电令西路程子华兵团和中路萧劲光兵团：
目前敌之企图不是撤退，而是与我决战……在此情况下，我军应集结兵力进行充分的攻击准备，然后待命攻击。……以四十一、四十五两军及四十、四十九军之各一部首先围歼水东江、宋家塘地区之敌……两军对峙的局面已经形成，10月5日这一天，四野中路军已推进了20多公里，控制了渣江至界岭一线的阵地。
白崇禧为争取主动，采取以进为退策略，摆开决战架势，企图乘中路军立足未稳，组织反击他。急令第7军沿衡宝公路向界岭攻击前进；另调乐昌的第46军、郴县的第97军和耒阳的第48军一部乘火车北上，会同原在衡宝线的第1兵团等部迟滞解放军南进。4日，白崇禧集团主力13个师全部集中衡宝一线。
5日，白崇禧先以第48军第176师和第71军第87、第88师为第一梯队，第7军主力为第二梯队，向界岭、金仙铺一线的解放军第41军实施反击，之后白崇禧又将主力东调，令第48军第138师和第7军第172师进至渣江以南，阻止中路军南进；令第46军第188师、第97军第33师、第7军第224师、第58军第183师和第126军第304师共5个师，由第3兵团司令官张淦指挥，从东西两面向渣江的解放军第40军夹击；令第46军第174、第236师集结于衡阳，作预备队；令第126军第305师和第97军暂编第1师西调武冈、新宁，以保障其左安全，企图阻止西路军东进。
四野前委得知上述情况后，于10月5日10时30分电令第12、第13兵团及其所属各军：
目前敌之企图不是撤退，而是与我决战……在此情况下，我军应集结兵力进行充分的攻击准备，然后待命攻击。……作战部署是：以41、45两军及40、49军之各一部首先围歼水东江、宋家塘地区之敌……
5日12时，四野完成了兵力部署之后，又致电中央军委：
（一）自我向衡宝线开始前进暴露以后，白崇禧即迅速将驻乐昌之四十六军、驻郴州之九十七军、驻耒阳之四十八军以火车陆续调至衡宝之间，配合原在该地之七军、七十一军及一二六军之一个师，五十八军之一部企图与我决战。敌之力量相当强大。
（二）我三十八、三十九两军已占芷江、黔阳，黄杰不战而退。
（三）我集结优势兵力而歼敌，本日已令三十八、三十九两军向宝庆、祁阳间前进，准备参加衡宝线决战，届时如敌改变与我决战计划时，该两军即中途向全州前进。
（四）今后向广西进军，我以5个军采取较靠拢的并进，如敌与我决战，则我亦能作战，如敌退，则我仍能向前推进。如我兵力太分散，则遇作战情况会反而不能作战，而遇敌退时，由于各路兵力不足，亦无法堵住敌人。
（五）桂军行动狡猾迅速，长于山地作战，我部队已有多次吃过其小亏。
……中央军委复电，同意了四野作战部署。
10月5日，中路军主力按照四野前委的指令，停止于衡宝线以北地区待命。第45军第135师由于在急行军中，因为没有收到四野前委关于停止前进的命令，全师只好按原定部署行动，当天晚上在衡阳西北的金兰（今金兰寺）乘隙越过衡宝公路，其前卫进至佘田桥正南的沙坪灵官殿行动。第135师这一行动，好像一把尖刀直插白崇禧集团的心脏，使白崇禧大为震惊。
6日拂晓，白以第176师攻击荷公殿的第135师第405团。该团指战员利用有利地形，英勇抗击，激战两小时，将第176师击退。
白崇禧吃了亏之后，决定全线撤退，于6日黄昏电令所属各部收缩兵力，退守新宁、东安、零陵、道县一线；并以一部进击荷公殿、灵官殿地区的解放军第135师，之后西进武冈、洞口，堵击东进的西路军，担负掩护主力撤退任务。
6日下午，第135师由灵官殿向石珠桥、赤壁岭、龙井江开进。白崇禧以第7、第48军部的5个师主力向第135师发起猛烈攻击。
林彪、邓子恢电令第135师：中路军主力正在追击逃敌，你们应坚守阵地，抗击、截击敌人，采取灵活机动的战术处置各种情况……10月8日拂晓，解放军第403团主力经过一夜穿插，与师主力会合了。这天清晨又下起了小雨，双方再次发生激战，桂系的王牌第7军已陷入重围之中。
9日夜，白崇禧命令被围的4个师全力突围。其中第172师和第138师一部数次向黄土铺的解放军第135师阵地猛攻，妄图向西突围，均被击退。白部第171师向南突围，先后18次攻击铁栏桥、茅草岭的解放军第119师阵地，激战26个小时，均被击退。
10日拂晓，四野中路大军向白崇禧部发起总攻，桂军4个师只能进行垂死挣扎。
铁栏桥、茅草岭一带的战斗尤为激烈。敌军先后发起18次大规模攻势，均被击退。到黄昏时，四野大军主力纷纷杀向阵地，桂军各部被分割、穿插，顿时建制大乱，官兵乱纷纷。
10日夜，四野中路大军以大峰山为中心，布下天罗地网，在地方群众的配合下拉网搜俘。
11日上午，密林中的搜剿战遂告结束，衡宝战区的枪炮声渐渐少了起来。
就在四野中路大军解放衡阳等地的同时，西路第38、第39军由芷江地区向东推进，一路势如破竹。
10月9日，第39军攻克武冈县城，歼敌2700人。
10月11日，第49军第145师攻占宝庆。
10月13日，第38军与第49军等部在竹篙塘一带，歼灭弃守宝庆的敌第62师5000余人。
10月14日，第41军第122师攻克儒林，第39军攻克高沙，迫使守敌新编第8军独立第1师1000余人投降。
至此，衡宝战役胜利结束。
此役人民解放军四野中、西两路大军在湘南、湘西两个战场，取得了南下以来最大的胜利，歼灭敌3个军、5个师，共4.7万余人，其中生俘3.8万人。缴获火炮402门，枪13071支，汽车176辆，马1116匹，解放县城24座。