薄暮时，日军炮兵观测所报告发现“白旗出现于敌阵地”，日军第六十八师团报告：午后5时之后，“师团正面森林高地重庆军阵地白旗翻飞”。
当晚，方先觉派参谋长孙鸣玉与日军联系停战事宜。据暂编第五十四师师长饶少伟回忆：
“方指示孙鸣玉拟出七项投降条件，大意：（1）要求保留第十军建制；（2）要求日军进城不杀害俘虏；（3）要求日军对受伤官兵给以人道待遇；（4）要求日军立即停火；（5）要求日军派飞机送方先觉到南京见汪精卫。另两条饶已不能记忆。”[邓野：《蒋介石对方先觉投敌案的裁决》，《历史研究》2006年第5期。]
卢庆贻不认为方先觉是投降：“这是协议停战，在部队没得联系、没得弹药、没得人员的情况下，不打了，但是我有条件，协议停战就是有条件的，你不能够伤害无辜——这些医务人员、伤兵。”
第47天：“日本人对中国人害怕起来了”
8月8日，第47天。
凌晨4点，睡下没多久的蒋介石默默起床，为衡阳守军祈祷。
凌晨，“方先觉率其第三师师长周庆祥、第一九〇师师长容有略、预备第十师师长葛先才、暂编第五十四师师长饶少伟及副官处处长孙广宽在城南天主堂与日军第六十八师团师团长堤三树男会见，正式缴械投降”。[郭汝瑰、黄玉章主编：《中国抗日战争正面战场作战记》下册，江苏人民出版社2005年版，第1348页。]
伍志鸿也不认为方先觉是投降：“现在你就是杀死我，我也不承认方先觉投降了。”
时任预备第十师二十八团迫击炮连连长的白天霖在《抗日圣战中的衡阳保卫战》一书中记载：“方于被俘之后向日军提出三项要求：（1）保证生存官兵安全，并让他们休息；（2）收容伤患予以治疗，并郑重埋葬阵亡官兵；（3）守城官兵绝不离开衡阳城。”[邓野：《蒋介石对方先觉投敌案的裁决》，《历史研究》2006年第5期。]
早晨六七点钟的时候，卢庆贻被军部参谋叫出了中央银行。“我到中央银行的门口，就看见日本兵进城了，从城门进的城，举着太阳旗，耀武扬威。”卢庆贻否认挂白旗之说：“我们第十军剩下的部队，没有挂白旗的，没有这个事。”
卢庆贻回忆：“日本人把我们这些人集中到教堂里面，门口有机枪守着。”
此时，城外几个阵地仍在战斗，城内巷战继续。一些官兵选择了突围，比如杨光荣，战至只剩4个兵后，他从湘江突围出城。一些伤兵自杀殉国。《抗日圣战中的衡阳保卫战》一书中有如下段落：
衡阳陷落之日（8月8日），由于我官兵义愤填膺，各自为战，满城尽是枪声，处处狙击敌人，以致引起敌军愤怒，肆意开屠杀。而手榴弹爆炸之声，此起彼落，遂成为我官兵集体殉国与敌偕亡之体炮矣！此时仍有7000余伤患员官兵，于颓壁中痛苦呻吟，或举枪自杀，或跳井投江，或悬梁而亡；重伤不能行动者，争求轻伤者或持械官兵补他一枪，以了残生，其惨状非笔墨所能形容！
当时突围出来的伍志鸿说：“就是破釜沉舟，大家用生命救国，死之前都要杀死一个日本人才甘心。我为什么又活着出来了呢？因为日本人对中国人实在是害怕起来了。”
当天，由第四战区抽调来援的第四十六军等已进抵距衡阳8公里的二塘。日军第十一军参谋岛贯武治在日记中写道：“上午8时攻克衡阳，力攻40天……是一场竭尽了全力的战斗。只晚了一天，敌机械化兵团就出现了。我方部队面对前来解围的敌军，多少有些动摇。战争的胜负诚然在于最后5分钟。如固守衡阳之敌誓死决一死战，或将出现‘因帕尔的结局’。”[郭汝瑰、黄玉章主编：《中国抗日战争正面战场作战记》下册，江苏人民出版社2005年版，第1350页。“因帕尔的结局”是指1944年夏，日军第十五军从缅甸进攻印度因帕尔，惨败而归，10万人仅剩下了3万人。]
当天，蒋介石在日记中写道：“以衡阳会战守军苦斗至此历时四十七昼夜，故于凌晨四时即起默祷能转危为安。至五时犹得衡阳电讯，距十五分钟之后中断，自此即绝不复通矣！旋于十时许接获空军侦察报告：‘衡阳城内已不见人迹。’于是乃确知衡阳已陷矣。因自记所感曰：‘悲痛之切实为从来所未有也。’”
衡阳保卫战，中国军队伤亡17000余人，《日本帝国陆军最后决战篇（衡阳战役之部）》中声称，日军伤亡19380人，其中军官伤亡910人（军官战死390人）。[葛先才：《长沙·常德·衡阳血战亲历记：国民党将领葛先才将军抗战回忆录》，团结出版社2007年版，第173页。]不过，1945年8月，曾担任过第十军军长的李玉堂将军在湖南接受日军投降时，曾询问日方将领，衡阳之战日军究竟伤亡多少，日军将领答道：“48000余人。”美国国会图书馆的资料显示：“日军死伤超过70000人，其中48000人被击毙；中国伤亡15000人，其中7400人阵亡。”
衡阳保卫战是抗战期间作战时间最长、敌我伤亡官兵最多、空前惨烈的城市争夺战。日本方面承认，此役“牺牲之大，令人惊骇”，为“中日八年作战中，唯一苦难而值得纪念的攻城之战”[《日本帝国陆军最后决战篇（衡阳战役之部）》；葛先才：《长沙·常德·衡阳血战亲历记：国民党将领葛先才将军抗战回忆录》，团结出版社2007年版，第167页。]。日军战史称：方先觉为“骁勇善战之虎将”，第十军“寸土必争，其孤城奋战之精神，实令人敬仰”。[曾景忠：《方先觉与惨烈的衡阳保卫战》，《北京日报》2007年9月10日。]
重庆《大公报》社论说：“衡阳47天是索得敌军巨大的代价，衡阳47天是在明耻教战。”
当年8月中旬，被俘的彭忠荣和彭忠志兄弟，趁着日军看守不严，偷偷逃出了衡阳。
被俘的卢庆贻和战友被逼给日本人收谷子。一天，他跟20多个战友打死看管他们的日本人，也成功逃脱。
第十军大部分被俘官兵乘日军后勤补给紧张、关押松懈之机从俘虏营中脱逃，周庆祥、孙鸣玉、饶少伟等将领也在其中。
11月18日，在重庆方面的帮助下，被看管3月有余的方先觉也逃走了，并于12月11日回到重庆。
12月13日，重庆《大公报》发表社评《向方先觉军长欢呼》：“苦战衡阳四十七天的英雄方先觉军长回来了！……我们情不自禁地要向方军长欢呼：‘我们的英雄回来了！我们的抗战精神回来了！’”“拿衡阳做榜样，每一个大城市都打四十七天，一个个地硬打，一处处地死拼，请问：日寇的命运还有几个四十七天？”[曾景忠：《方先觉与惨烈的衡阳保卫战》，《北京日报》2007年9月10日。]
1945年2月19日，国民政府军事委员会授予方先觉青天白日勋章。
1946年2月，预备第十师师长葛先才奉命回到衡阳，与滞留的60多个前第十军官兵一起，历时4个多月，在原来的阵地上收集忠骸3000余具，并建烈士公墓于张家山之巅。
葛先才在回忆录中写道：
现在回想那一段搜寻忠骸的日子，我们差不多每天都是一边流泪一边工作。这“古战场”并不“古”；不过一年半之前，这些“古人”都是生龙活虎般的战斗伙伴。如今嘛，这“古战场”已经荒草没头，锈损的枪支、弹壳、炮弹炸弹破片……遍地皆是；惨白色的骸骨东一堆西一堆，横七竖八，零乱的、随意的，似乎被人不屑一顾地弃置在那里；而草长得最高最茂盛的地方，也必是骸骨最多的地方！不过一年半之前，这些骸骨都还是国家的好男儿、父母的爱子、春闺的梦里人。敌人的枪弹、炮弹、炸弹没有“碰”上我们，否则，今天又不知道是谁来捡我们的骸骨了！
……
忠骸搜集完成之日，我们请了一位摄影师摄影存照。我面对这座高约丈余忠骸堆成的山丘，直觉其巍峨神圣，壮丽无比！我在心中默默祝祷：“弟兄们，安息吧！你们没有白死。日本已经投降，国家已经因你们之死而得救，你们是求仁得仁了。”然后我们把忠骸逐一移入墓穴安葬。不知怎的，我忽然鼻头一酸，禁不住悲从中来，泪如雨下。啊，弟兄们！弟兄们！我敬爱的弟兄们！若非我身历其境，又怎能体会到这“求仁得仁”的背后，竟隐藏了这么深重的悲怆！[葛先才：《长沙·常德·衡阳血战亲历记：国民党将领葛先才将军抗战回忆录》，团结出版社2007年版，第159～160页。]
方先觉是否投降？
《历史研究》2006年第5期发表邓野的文章《蒋介石对方先觉投敌案的裁决》，其中说：“由方先觉所引起的历史争议并不在于其功过如何评价，而是集中在他到底是否变节投敌。对此，台湾的相关著述基本否认，而大陆方面则相反，多予以肯定。就笔者所见，双方的基本论据大都是衡阳之役参加者后来的证词，由于大陆和台湾政治环境不同，证词自然也不同，所以形成各有其据、各持其论的状态。然而，因双方都没有提出原始证据，彼此的立论依据均缺乏足够的说服力。”
邓野认为方先觉投敌是事实，“该案所以是非莫辨，很大程度上是由蒋介石当年的裁决所造成”。蒋“断然否决方之投敌”，是政治需要。“任何战役，愈是具有战略意义便愈是具有政治意义，其政治的牵扯面愈是广泛，衡阳战役正是如此。是役展开之后不久，不可避免地与一系列政治问题牵扯起来。”文章称，“12月25日，延安《解放日报》发表关于方先觉投敌问题的长篇专题报道，引证日军发表的方先觉多篇降敌谈话，将方投敌问题坐实之后，文章调转笔锋指出：‘此等叛国逆贼，居然在重庆大受欢迎，被誉为中国军人之模范，蒋介石对他们则慰勉有嘉。’”
丁民的文章《我们如何正确评价“抗日衡阳保卫战”》则认为，方先觉应该属于被俘，而非投降，他是为保住第十军的7000名伤员的性命，而主动放弃突围逃生的机会，选择了与大家同生死。
彭厚文的文章《人物追析：试析衡阳保卫战中方先觉投降日军事件》说：“对方先觉投降日军事件不能简单地扣之以‘贪生怕死’、‘叛国投敌’的大帽子。而应该看到：在衡阳保卫战的大部分时间里，方先觉的表现是值得肯定的，衡阳保卫战能坚持47天之久，与身为守军主将的方先觉有着密不可分的关系；方先觉是在衡阳保卫战失败已成定局的情况下投降的，这一战役失败的责任不能由他来承担；方先觉的投降，除了主观上的思想境界不高、意志不坚定等原因外，还有重要的客观原因，衡阳城外救援不力的国民党援军、最先主张投降的师长周庆祥等人，对他的投降应承担相当的责任。此外，我们还应该看到，方先觉的投降，还有在日军破城无可避免的情况下，保全残余官兵生命的考虑。从人道立场出发，这样的考虑是无可厚非的。他投降日军后，并没有死心塌地地卖身投靠，在不到5个月的时间内成功地逃回了重庆。这样，我们就会发现，方先觉的投降，并不必然地与‘贪生怕死’、‘叛国投敌’联系在一起。当然，方先觉的投降日军，与中华民族传统的伦理道德是不相容的，与抗日战争中举国倡导的宁死不屈的民族气节也是不相容的。这使他的投降事件，成为一起连他自己也羞于承认的不光彩事件。他的投降事件的负面意义正在这里。”
谢儒弟的《蒋介石的陪都岁月》一书中记载：“难怪他（方先觉）后来会不无伤感地对人说起：‘我一生中最大的遗憾，是那次在举枪自决时没有把自己打死。’连蒋介石也为他的不幸感到委屈和遗憾，所以在某次国民参政会上，有参政员故意询问：‘在衡阳保卫战中，方先觉算不算投降？’蒋介石闻言大怒，却又不愿对此作出任何解释。方先觉的悲剧不为国人所理解，倒是当年作为敌国的日本人民，竟在方去世后到他的墓地去敬献花圈，为的不是他‘投降’了日本，反倒是他敢以几千人的疲惫之师与20万围城日军拼死恶战到底的精神。”
