面对日军的防守策略，中国远征军决定先攻占凤山，进而对腾冲城的日军进行合围。1944年7月26日，远征军在空军的掩护下，对日军的堡垒群进行了进攻。远征军血战3日，在付出了巨大的伤亡之后，终于攻占了凤山，对腾冲城形成了四面包围之势。
腾冲城市是一座方形的明代古城，其外墙高5米，宽2米，用当地产的火山条石建造的，非常坚固。日军在此经营了2年，建造了大量的堡垒，构建了一座坚固的要塞。1944年8月2日，远征军对腾冲城发动全面的进攻。面对这座要塞，这一次远征军充分发挥了火力优势，在盟军空军的轰炸下，在腾冲城东南角炸开了一个10米宽的口子，随后工兵将其爆破至50米宽，远征军趁机冲入城中，展开激战。
虽然远征军攻入城中，但是城中的日军困兽犹斗，负隅顽抗。日军利用民居和堡垒，构建了层层的防御工事，对腾冲城中所有的街道都进行了火力封锁。远征军每前进一步，都要付出沉重的代价。正如20集团军会战概要所言：“攻城战役，尺寸必争，处处激战，我敌肉搏，山川震眩，声动江河，势如雷电，尸填街巷，血满城垣。”
由于远征军伤亡惨重，不得不将防敌增援的130师投入了攻城战役之中。腾冲之战，据参战的老兵回忆，非常解气的是远征军士兵使用火焰喷射枪烧开路障，消灭隐藏在据点深处的日军，效果非常好，烧得日军抱头鼠窜，甚是悲惨。经过42天的“焦土”之战，远征军全歼守敌，1944年9月14日光复腾城。
7月以后，孟拱、加迈之敌已被歼灭，密支那成为一座孤城。但是，日军指挥官水上源藏少将按照“死守密支那”的命令，依然负隅顽抗，作困兽之斗。中美联军调整了部署，以第50师、新30师和美军拉加哈德突击队从三面围攻密支那。
7月7日，在抗日战争爆发7周年的纪念日，身处密支那前线的郑洞国、孙立人等将领向中国军队下达总攻令。借着美军轰炸机和新式火箭炮的掩护，中国军队再度夺下密支那火车站，并与美军一起，形成对市区的三面包围之势。日军阵地遭到毁灭性破坏，战壕里积满了雨水，日本兵浸泡在齐腰深的水中，拼死抵抗。
7月18日，中、美军队转入密支那街区巷战，逐巷、逐屋搜索前进，并于8月1日攻下密支那市区的7条主要街道，日军被压缩到城北的最后阵地。当天下午，第50师师长潘裕昆少将招募“决战敢死队”，官兵纷纷报名，连司令部的传令兵、军械兵、伙夫都要求获得以死报国的机会。8月1日深夜，由104人组成的中国“敢死队” ，在当地华侨的带领下，冒雨绕到日军背后。次日凌晨，“敢死队”与正面部队同时发动进攻，日军腹背受敌，意志终于崩溃，除死伤于阵地的日军外，其他残兵惶恐地逃出战壕，仅4、500人用竹筏及泅水渡过伊洛瓦底江，向八莫方向溃退。日军在密支那的最高指挥官水上源藏被逼到江边的一棵大树下拔枪自杀。此役，共击毙日军2000余人，俘70余人，我中美联军伤亡及因战生病人员共计6千多名，其中阵亡1244名战士。经过80天的艰苦激战，中国驻印度军队无数士兵的宝贵生命，换来了整个亚洲战场具有战略转折性意义的胜利。