14日，第53軍突擊部隊在強大的炮兵火力和航空兵火力的支援下，這支東北軍部隊向大尖山、唐習山的日軍發起強攻。經一日一夜的激戰，攻克了大尖山和唐習山的日軍據點，並繼續向江苴街前進。
日軍遭到中國遠征軍的打擊後，迅速組織力量，利用地形和既設工事，逐點抵抗，異常頑強。攻擊戰鬥持續了1個多月，直至6月21日，遠征軍終於把南齋公房、江苴等日軍據點攻克。
擔任右翼進攻的第198師渡過怒江後，迅速攻占了大寨、茶房等地，但是，當他們向高黎貢山山頂要塞北齋公房仰攻時，陷入苦戰。即改變戰法，主力從兩側繞道，先向馬麵關和橋頭攻擊。16日，順利克服這兩個日軍據點。日軍為保住北齋公房這個據點，陸續把第56師團主力調來增援，雙方形成對峙。
日軍對中國遠征軍的迅速渡過怒江感到震驚。但日軍主將河邊正三把主要精力放在對付英軍上，自恃擁兵5萬之眾。又有滇西複雜地形和堅固工事可以依托，完全能夠應付中國遠征軍1個集團軍的進攻，因而滇西日軍司令部也沒有向緬甸方麵軍求援。
衛立煌分析戰場態勢，決定變更部署，指揮部隊轉入全麵反攻。22日，他命令第20集團軍為右集團軍，按原計劃向騰衝攻擊；第11集團軍為左集團軍，向龍陵攻擊。要求各部隊加快進攻節奏。
6月14日，遠征軍第198師、第36師、預備第2師密切配合，終於攻克了北齋公房，並進占瓦甸。南路第53軍擊潰日軍第148旅團一部，攻克大塘子、南齋公房、江苴街後，直接威脅滇西戰略要地騰衝。
至此，中國遠征軍2個集團軍16萬人，全部渡過怒江天塹，在怒江西岸奪占了眾多陣地，站穩了腳跟，完成了初期反攻任務，戰績震驚中外。為此，日軍不得不從英帕爾戰場上抽調大量兵力救援，轉而在英帕爾戰場上暫時采取守勢。由於中國遠征軍滇西攻勢，達到了緩解英軍危急的戰略目標，盟軍高度評價了中國遠征軍的渡江作戰。
強取鬆山是遠征軍的下步目標，鬆山位於騰衝與龍陵兩大據點之間，地形險峻，是日軍在滇西的四大據點之一。與龍陵、騰衝互為犄角，日軍第56師團第113旅團3000多人駐防鬆山。日軍利用兩年多時間，遍山修築工事，設置明碉暗堡，頗有一夫當關，萬夫莫開之勢。鬆山不克，遠征軍無法奪取龍陵，滇西公路無法暢通。
7月下旬，第8軍在軍長何紹周指揮下，連續5次向鬆山發起攻擊，攻克了鬆山的外圍工事。當部隊攻至鬆山的核心工事附近時，受到日軍的堅強阻擊，遠征軍久攻不下。
蔣介石對此極為不滿。因滇緬公路不通，中國軍隊的補給越來越困難。蔣嚴厲命令第8軍必須於9月上旬收複鬆山，一旦貽誤戰機，第8軍軍長、師長、團長將受到軍法處置。正在圍攻鬆山的重要時刻，第8軍軍長何紹周從馬上跌了下來，被迫送到昆明治療。副軍長李彌接替軍長何紹周指揮，李彌是雲南騰衝人，畢業於黃埔第四期，對滇西的地形熟悉。
為了攻克鬆山這個日軍的堅固堡壘，工兵營在陣地炮聲的掩護下，連續不停地在堅硬的山中進行挖壕作業，在鬆山頂峰日軍的工事下麵挖出了兩條地道，地道的盡頭挖成一個大炸藥室，把10噸梯恩梯炸藥放到日軍的據點下麵。為了不被日軍發覺，這個藥室垂直向上距日軍陣地約30米。
9月8日，離蔣介石規定的期限隻有2天。突然，鬆山上響起一聲驚天動地的巨響，10噸炸藥成功爆炸，鬆山的山頂被炸翻了。駐守鬆山的日軍第56師團第113旅團官兵全部被殲滅了。打掃戰場時，據點裏僅剩數十名日軍重傷員和20多名軍妓。
遠征軍為攻克鬆山遭受重大傷亡，第8軍傷亡達6000多人，其中第1師第3團傷亡3000多人，這個團僅存1連人。
李彌因戰功，由陳誠和美國顧問組長的竭力推薦，蔣介石當即任命李彌為第8軍軍長。
與鬆山攻堅的同時，遠征軍向騰衝進行攻擊。騰衝，舊稱騰越，位於滇西大盈江東岸，是諸葛亮南征時孟獲酋長的都城。騰衝四麵都是山嶺，這些山嶺虎視全區，地勢險要，控製了騰衝城區穀地及滇緬公路。
騰衝的城牆，下麵是巨石，上麵為巨磚砌成，日軍侵占騰衝後，不僅把城區工事修得極為堅固，外圍各據點也修築了永久性工事。防守騰衝的日軍由擅長叢林作戰的第56師團第148旅團及第18師團第114旅團一部。
6月下旬，遠征軍向龍陵發起攻擊後，日軍調騰衝的部分兵力前往增援龍陵。衛立煌認為這是攻擊騰衝的有利時機，即電令第20集團軍兵分三路，向騰衝發起攻擊。衛同時提出，攻擊部隊應以部分兵力從左翼迂回，奇襲騰衝。
7月2日，第20集團軍以左翼為重點攻擊方向，向騰衝的日軍外圍據點發起攻擊。盟軍飛機猛烈轟炸騰衝四周的日軍工事，炮兵頻繁進行炮擊。經過20多天的激戰，第20集團軍各部先後攻克了寶鳳山，飛鳳山、來鳳山日軍依托的堅固工事。由於日軍頑強抵抗，遠征軍使用火焰噴射器噴射日軍據點，把據點內的大部分日軍燒死，殘餘日軍退入城內，固守待援。
8月2日，第36師攻城戰鬥開始了。美軍空軍一架架轟炸機飛向城垣，接連在日軍據點上爆炸，騰衝的城牆先後炸開了13處缺口，日軍第148旅團的旅團長藏重康美大佐被炸死了。
炮彈雨點般地向城中傾泄，騰衝城內，到處是爆炸聲。日軍的工事在炮彈的爆炸聲中倒塌了。攻城部隊經過兩天激戰，奪取了日軍的7個堡壘。日軍遭到重大損失，但仍然頑強固守。
15日，第20集團軍各部向騰衝發起總攻，經過6天的激戰，騰衝堅固的城垣終於被遠征軍突破了。這是一場惡戰，遠征軍將士每天都傷亡四五百人，戰場異常慘烈。第36師、第198師、第116師官兵先後突入城內，日軍憑借騰衝城區的核心工事，繼續抵抗。遠征軍每奪取一條街巷，都要付出犧牲。
經過1個多月的城市攻堅戰，9月14日，第20集團軍再次發起猛攻，駐守騰衝日軍太田大佐感到末日來臨，在絕望中自殺，日寇守軍全部就殲。
23日，第76師收複滇西日軍的另一重要據點平戛，入侵滇西的殘餘日軍向龍陵收縮，固守龍陵。