在渡江各兵團展開攻擊時，國民政府軍事委員會鑒於中國駐印軍開始攻擊密支那，日軍難以調兵增援滇西，遂於5月22日命令中國遠征軍，迅速攻占騰衝、龍陵，與駐印軍會師緬北，打通中印公路。遠征軍司令長官奉令後，當即命令：第20集團軍（轄第53軍、第54軍、預備第2師）為右集團軍，仍按原計劃攻擊騰衝；第11集團軍（轄第6軍欠預備第2師、第71軍、第2軍）為左集團軍，攻擊龍陵，並限5月底以前完成攻擊準備。
第11集團軍於6月1日發起全麵攻擊。第71軍（配屬第6軍新編第39師）自6月1日至3日，分別由惠通橋、畢寨渡、三江口附近渡過怒江。其新編第28師（欠第84團）於6月4日攻克臘猛，向鬆山進攻，久攻不下。第71軍主力第87、第88師並配屬第84團，沿畢（寨度）龍（陵）道路南側地區向龍陵突進，於10日進抵龍陵近郊，並向龍陵日軍發起攻擊。龍陵日軍據守城內、外據點抵抗，雙方陷入苦戰。此時，日軍約1500人自騰衝方麵沿騰龍公路向龍陵增援，15日越過龍川江。第71軍以第87師主力迎擊，雙方激戰於龍陵北側地區，反複肉搏，雙方傷亡均大。同時芒市方麵日軍約600人，也向龍陵增援，與新編第28師第84團激戰於放馬橋附近。該股日軍主力雖被第84團阻擊，但其一部仍進入龍陵城。第11集團軍乃下令停止攻擊，並向後轉移陣地，準備爾後再次攻擊，又令新編第39師由龍江橋經三甲街向龍頭街進擊，掩護軍之右翼。18日，由各方麵集中於龍陵的日軍約有5000餘人，並於21日向第71軍反擊，戰鬥激烈，雙方形成對峙。
6月下旬，遠征軍司令長官部得知：緬北的中國駐印軍正增加兵力向密支那攻擊。騰衝方麵的日軍已以一部增援龍陵。第20集團軍已進抵江直街、固東街、大龍井，並已完成對騰衝的攻擊準備，即電令第20集團軍分兵3路，主力保持在右，向騰衝攻擊。
第20集團軍奉令後，立即調整攻擊部署：令第54軍（欠第198師）附預備第2師於26日前到達順江街及其以東地區，再沿順江街、騰衝道推進，驅逐日軍警戒部隊，先攻占寶鳳山、來鳳山，再協同第53軍對騰衝實施包圍攻擊；令第53軍立即派兵一部占領杭勵山，其餘各部隊於26日前，在千榨山、打豆山、龍川江右岸地區沿打豆山、觀音寺向蜚鳳山攻擊，再以1個團沿龍川江左岸南下，渡過龍川江後，隨軍主力進展，向飛鳳山攻擊。攻占各據點後，再協同第54軍包圍騰衝，攻擊而占領之。第198師為集團軍預備隊，先在瓦店集結，等第53軍挺進後，再進至江直街待命。
6月25日，第54軍和第53軍分別自龍川江西岸、清水河南岸向騰衝推進。28日，第20集團軍令已進至寶鳳山北端之線的第54軍主力沿公路以西地區，先攻占寶鳳山、來鳳山，再協力第58軍攻擊騰衝城。29日，集團軍各部隊已迫近騰衝外圍據點。7月2日，第20集團軍以左翼為重點開始攻擊。日軍據守外圍飛鳳山、觀音堂、來鳳山等險要堅固據點頑抗，攻擊進展遲緩。至16日，集團軍以第36師主力向來鳳山方麵增加兵力，並增加炮兵火力，在空軍支援下，經10天激戰，終於27日將來鳳山攻克。第53軍方麵已將飛鳳山攻克，隨即向騰衝城進迫。至此，騰衝外圍據點全部奪取，殘餘日軍退入城內固守。