出师不利，傅良佐决定调北军作战。任命第八师师长王汝贤为湖南军总司令，第二十八师师长范国璋为副总司令。兵分三路：第八师和第二十师正面进攻衡山，湘军第二师第四旅为右翼进攻宝庆，从安徽调来的安武军进攻攸县。
民国后湖南的第三次南北战争开启（第一次是癸丑二次革命，第二次是护国讨袁）。
傅良佐进攻湘南护法军，表明南北军队在湘决战已势不可免。桂系决定组织军队援湘，以武力“驱逐傅良佐，收复湖南，以固两广门户”。
九月底，桂军陆裕光师先头部队进抵衡陽。
十月二日，陆荣廷在广西南宁召开军事会议，讨论援湘问题，广东督军陈炳焜、海军总司令程璧光等参加了会议。
陆荣廷慷慨发言，痛斥段祺瑞投降日本发动内战，号召出席全体人员签名宣誓，表示抵抗皖系军阀的决心。
会议决定由两广当局陈炳焜、谭浩明、程璧光、李耀汉联合通电，痛斥段祺瑞。列举段的罪行如：主使公民团包围国会、主使督军团毁法叛国、任意发动内战等。
同时提出：（一）迎黎大总统复职，（二）恢复国会，（三）罢免段祺瑞，（四）撤回湘督傅良佐的任命。
会议议定了援湘军事计划：由两广出兵八十营（其中广东三十五营，广西四十五营），分编成五个军（由陆裕光、林俊廷、韦荣昌、马济、林虎分任军长），由广西督军谭浩明任两广护法联军总司令。
进军路线是：马济率粤军出韶关入湘，经攸县、醴陵取长沙。桂军分成两路：韦荣昌军由三江入湘，经新宁逼宝庆；陆裕光、林俊廷二军则出全州入湘，经永州（今零陵）、祁陽增援衡陽。两广军总的目标是会攻长沙。
湘军方面，北军大举南侵时，赵恒惕正在衡山居丧守制。
其旧部第一师官兵请赵火速回部。赵马上赶到衡阳。与刘建藩、林修梅等布署防御。
湘潭是北军进攻衡山的前进基地，有三条道路可通衡山：
一由湘潭经株洲，沿三门、淦田、朱亭一线；一由湘潭经茶园铺，沿熊家桥、护湘关一线，此为陆路大道；一由湘潭沿涓水 至福田铺一线。
为了抗击北军进犯，护法军的布防如下：第一师师长赵恒惕指挥该师之第一、二两团（欠一营），在衡山、护湘关至茶园铺沿线设防，另将一个营配置于福田铺担任翼侧警戒；刘建藩所部数营防守淦田、朱亭；林修梅率该旅之第四团驻守岳后，防敌由永丰方向窜犯。
十月六日晨，南北两军开始在湘潭县属之西倪铺接战。护法军在衡山以北只有不足两个团的兵力，却要防守从福田铺至湘江边宽约十五公里的正面，力量分散；加上装备较差（除步槍外，仅有二门炮、二挺机槍），难于阻止敌人的进攻。
北军王汝勤所部由中路进攻，集中兵力，重点突破，连占茶园铺、中路铺和白石铺等要点，逼近护湘关。
护湘关位于衡山北十二公里处，两侧山势险峻，湘（潭）、衡（山）大路从山间穿过，是易守难攻之地。护法军在护湘关两侧高地构筑工事，重点设防。八日晨六时，北军分三路攻打护湘关。
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护法军凭险抗击，“顽强异常”，“抵死不退”。战至次日凌晨，北军从侧翼突击，仰攻肉搏，护法军力不能支，遂弃关撤退。
护湘关落入敌手。
十月十日晨，北军进攻护法军在衡山北面的最后一个要点石桥铺。护法军控制附近高地，顽强抵抗。
临近中午，刘建藩派数营援兵赶到战地，让正在奋战的第一师士兵撤下吃饭。
但这些援兵多数是新兵，未经严格训练，缺乏作战经验，以致一有伤员，就惊慌后退。北军乘势冲击，护法军大败。
十月十一日上午七时，北军向衡山外围发起攻击。王汝勤亲率该旅第二十九团及工兵营、炮队由正面实施突击，以第三十团由翼侧抄袭。护法军据守城外据点的部队经不住敌军的猛攻，纷纷逃进城内，并牵动了守城部队。
护法军只得放弃衡山，分向湘江以东和衡陽退却。王汝勤旅遂轻取衡山。
在北京的段祺瑞心情为之一松。认为湖南指日可平。同时运送了大批慰劳品到前线犒赏士兵。
北军张纪旅行动迟缓，十月十一日由湘潭进抵株洲，翌日沿湘江东岸向南攻进。十三日在淦田乌鸦山与刘建藩之警戒部队遭遇。双方激战两小时，刘部不支后退。
张旅乘势追击，于下午七时攻占朱亭。十四日，张旅向衡山靠拢，拟配合王汝勤旅向衡山以南进击。但王汝勤由于作战顺利，便不等张旅跟进，即率所部向贺家山进攻。
贺家山位于衡山与衡陽之间，左接巍巍衡山，右倚滚滚湘江，北面是宽约数里的开阔地，山势虽不高峻，但北陡南缓，易守难攻，是防卫衡陽的天然屏障。