包围圈被国军压缩的越压越小。中美联合航空队、杜立特轰炸机群先于日军航空队到达了战场，对日军进行了猛烈的轰炸和扫射，小鬼子死伤惨重。当日军航空队到达时，被中美联合航空队驱离，保证了湘江以西战场国军不受日军航空队影响。
战斗又持续到晚上，三里桥包围圈日军兵力不足，而衡龙桥日军弹药出现了不足，日军的抵抗越来越弱了。杜聿明敏锐察觉到了两地日军的变化，趁鬼子的病，要鬼子命。日军的大规模援兵还未到达，杜聿明压上了所有预备队，毕其功于一役。各部将士用命，终于在晚上11点以前将两个包围圈里的第40师团小鬼子完全歼灭，第40师团师团长宫川清三切腹自杀。
战斗一结束，战场都还没有打扫，杜聿明立即命令国军各部马上回防。将士们虽然疲惫，但在取得大捷的刺激下依然战意昂扬。第5军第200师与第100军第63师北上向沅江压迫，第96师去了湘江西岸，余部留下来打扫战场。杜聿明在衡龙桥向军委会及第9战区司令部报告了宁益大捷的消息，在办公室急切等待的常申凯终于把悬着的心放了下来。他在办公室里开怀大笑，眼中又噙满了泪水。