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：
第二十集團軍為右集團軍，仍按原計劃攻擊騰衝；第十一集團軍為左集團軍，攻擊龍陵，並限5月底以前完成攻擊準備。
第十一集團軍於6月1日發起全麵攻擊。第七十一軍自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。
其新編第二十八師於6月4日攻克臘猛，向鬆山進攻，久攻不下。第七十一軍主力第八十七、第八十八師並配屬第八十四團，沿畢龍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。第七十一軍以第八十七師主力迎擊，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，與新編第二十八師第八十四團激戰於放馬橋附近。該股日軍主力雖被第八十四團阻擊，但其一部仍進入龍陵城。第十一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，又令新編第三十九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日向第七十一軍反擊，戰鬥激烈，雙方形成對峙。
6月下旬，中國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，第二十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，即電令第二十集團軍分兵三路，主力保持在右，向騰衝攻擊。
第二十集團軍奉令後，立即調整攻擊部署：
令第五十四軍附預備第二師於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，再協同第五十三軍對騰衝實施包圍攻擊。
令第五十三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，再以一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，再協同第五十四軍包圍騰衝，攻擊而占領之。第一九八師為集團軍預備隊，先在瓦店集結等第五十三軍挺進後，再進至江直街待命。
6月25日，第五十四軍和第五十三軍分別自龍川江西岸、清水河南岸向騰衝推進。28日，第二十集團軍令已進至寶鳳山北端之線的第五十四軍主力沿公路以西地區，先攻占寶鳳山、來鳳山，再協力第五十八軍攻擊騰衝城。
29日，集團軍各部隊已迫近騰衝外圍據點。
7月2日，第二十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，集團軍以第三十六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。
第五十三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。7月27日起，第二十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，實施爆破，空軍不斷對騰衝城進行轟炸。8月15日，第二十集團軍調整部署後，再次對騰衝城發起總攻，戰至21日，將城垣之日軍大部殲滅。城南方麵第三十六、第一九八、第一一六師先後攻入城內，自南向北逐巷逐屋攻擊，與日軍展開激戰，反複爭奪。