7月27日起，第20集團軍進行攻城準備。8月2日，空軍對騰衝城開始轟炸。此時，各攻城部隊在炮、空火力支援下，向城垣發起攻擊，經兩日激戰，奪占城垣及城外堡壘7個，但未能突入城內。此後，攻城部隊進行坑道作業，實施敵前爆破，空軍不斷對騰衝城進行轟炸。8月15日，第20集團軍調整部署後，再次對騰衝城發起總攻，戰至21日，將城垣之日軍大部殲滅。城南方麵第36、第198、第116師先後攻入城內，自南向北逐巷逐屋攻擊，與日軍展開激戰，反複爭奪，直至9月14日，城內日軍全部被殲，日軍代理團長及部分官兵於彈盡援斷後絕望自殺。
左集團軍（第11集團軍）方麵，由遠征軍總預備隊第8軍接替圍攻鬆山的新編第28師的任務，第11集團軍再度向龍陵發起攻擊。
8月14日，第11集團軍第71軍再次向龍陵發起攻擊，激戰至26日，一部突入龍陵市區，城內日軍約三四百人仍死守核心據點，拚死抵抗。第2軍對平易的攻擊也進展甚微。芒市方麵的日軍，自8月中旬以來，從其國內得到約2000人的兵員補充，並由臘戍、南坎方麵調來第2師第16團及第4團各一部，其兵力達6000餘人。自27日起，芒市日軍主力沿芒（市）龍（陵）公路突進，打通了由芒市到龍陵的交通線。龍陵日軍得到補充後進行反撲，並奪回部分外圍據點。9月上旬，中國第5軍第200師從昆明適時趕到，立即加入戰鬥，同時在騰衝方麵作戰的第36師也由騰衝南下參加戰鬥。經3晝夜激戰，日軍被迫退回芒市。23日，平易日軍向芒市撤退，第76師收複平易。滇西殘餘日軍固守龍陵、芒市頑抗。
此時，圍攻龍陵的中國遠征軍部隊除第71軍外，第200師、第8軍榮譽第1師、第20集團軍第36師，均已參加該方麵的作戰。上述部隊統由第71軍軍長鍾彬指揮。10月25日，遠征軍再向龍陵發動統一攻擊，至11月6日，龍陵外圍據點及市區全部被攻克，日軍大部被殲，僅少數向芒市退去。
中國遠征軍攻克龍陵後，遠征軍司令長官部鑒於滇西日軍已大部被殲，其潰退之部已成強弩之末，並且中國駐印軍正在向南坎進逼，日軍已無力向滇西增援。為迅速打通中印公路，與駐印軍會師，於是以第2軍、第71軍（附第200師）及第53軍，沿滇緬公路及其兩側分3路向芒市、遮放進攻。
第71軍（附第200師）於17日開始攻擊，經3日挺進，攻抵芒市近郊，據守芒市的日軍，為滇西日軍各師、團殘部。芒市工事雖然堅固，但日軍士氣低落，毫無鬥誌。當第71軍逐漸形成包圍圈時，日軍分向遮放、孟力戛撤退，芒市遂被收複。21日，遠征軍以第6軍接替第71軍，於11月底進至遮放。第2軍連續擊破孟力戛、蠻牛壩日軍的微弱抵抗後，於12月中旬進抵孟力古街附近。第53軍於11月15日由河頭街地區沿芒市、遮放道路西側向遮放挺進，18日進抵來勞山附近地區，稍事整頓，旋即經遮放繼續向畹町推進。1945年1月上旬，3路攻擊軍進抵畹町附近，並展開圍攻。24日，擊潰殘餘日軍，占領畹町。第11集團軍當即越過國境，分途追擊。1月27日，中國遠征軍與中國駐印軍在芒友勝利會師。中國西南國際補給線中印公路完全打通。滾弄方麵的日軍撤向緬甸中部，新編第38師將滾弄收複。1月28日，中美兩軍高級將領在畹町舉行會師典禮。至此，滇西反攻作戰勝利結束，中國遠征軍陸續回國。