松山位于怒江西岸的腊勐街紧侧，沿公路东距惠通桥约20多公里，西距龙陵约40公里，这一带山势奇险，树高林密，常年浓荫蔽日，旧地方志描述说，此地“高山夹箐，地险路狭，马不能行”。由于距怒江的空间直线距离仅二三千米，天晴能见度较好时，可以从山顶上俯瞰怒江大峡谷的雄浑景观。
虽说在这目力可及的距离上，怒江东岸高山上的大口径火炮可以直射松山等山峰，但是滇缅公路却要回肠九转，上下盘旋20公里，才能通过松山一带平均海拔1500米以上的崇山峻岭。此地之凶险由此可见。
对于远征军大兵团反攻而言，滇缅公路的畅通关系甚大。否则，部队和物资的前送，伤员的后输等等都只能用人力、畜力，穿过高黎贡山中的小道来回输送。如此一来，美式机械化装备的优势无从发挥，部队战斗力也因弹药、粮食缓不济急而大打折扣。
日军正是看中了这一点，才在此咽喉要地配备了步兵，炮兵、工兵、辎重兵、卫生队，防疫给水部队等合成部队3000多人，同时在各山顶要点储存了大量的粮食弹药，摆出了一付长期死守的架势。
6月上旬，第11集团军渡江加入反攻后，由于远征军长官部对日军死守松山要隘的决心估计不足，以为此地只有几百日军，目的也仅是干扰迟滞远征军的挺进，因此，命令第11集团军主力撇下松山日军，直出龙陵，由新28师约7000人负责扫清腊勐街及松山日军。岂料想，在这一夫当关、万夫莫开的险恶之地，新28师纵有三头六臂，也无法完成超乎寻常的攻坚任务。
6月初，新28师渡过怒江后，首战告捷，于4日占领腊勐街，将日军全部驱上松山等山地阵地。5日，占领竹子坡，主力向上松林阵地攻击，同时以一部迅速向南，切断了松山日军与龙陵方面的地面联系。从此，松山日军一直处于四面被围、孤立无援的困境，与第56师团部只能靠无线电相互沟通。但是，此后直到6月20日，新28师伤亡1600多人，攻击效果不大，期间，怒江东岸高峰上的远征军长官部直辖的重炮兵虽然每日隔江轰击日军阵地，但由于地形险峻，日军堡垒构筑巧妙，深藏地下，炮击效果也微乎其微。
很显然，仅靠新28师是不行的，必须加大攻击力度。6月下旬，卫立煌急令远征军总预备队第8军的荣誉第1师、第82师和第103师等3个师，迅速过江接替新28师攻打松山。
第8军官兵听说后议论纷纷：“新28师在松山被打垮了？要是早点让我们上去，恐怕早就收复松山了。”有的人骄矜之气横溢：“新28师垮得好，不垮显不出第8军的强大。”
卫立煌对第8军的轻敌情绪非常担心，当初就是由于轻敌，才导致了新28师的挫折。卫立煌专门召见了何绍周军长，向他传达了蒋介石对松山之战的关注，同时也想让何绍周以清醒的头脑去完成任务。卫立煌不无自责地说：
“松山敌情是我们始料不及的，我们事先不明就里，估计有误，导致今日的被动。这个责任应由我本人来负。新28师是有功劳的，他们以极大的代价帮助长官部了解了敌情，使我们对敌人的阵地体系有了比较明确的认识。
倘若不是新28师的艰苦奋战，前一阶段的代价恐怕会由第8军的部队付出的。
“你回去后立即进行部署，务求周密细致，尤其要向交防的新28师部队充分了解日军的阵地构筑和火力配备情况，制定有效的攻坚方案。长官部将从炮、空两方面给予全力支持。具体怎么打由你决定，但务必不可骄躁。”
6月底至7月初，松山战场的远征军各部忙于交接和重新部署，对日军台处阵地仅做一般性牵制攻击。远征军长官部直辖的工兵部队昼夜不停地抢修惠通桥。惠通桥自1942年5月炸毁以后，仅剩东西岸边的两座桥墩，又逢雨季江水暴涨，水流湍急，再加上松山一带的日军炮兵不断用120毫米榴弹炮对渡口实施干扰性炮击，致使工兵作业非常困难。为确保修桥和第8军部队的运动集结，长官部炮兵指挥官邵百昌中将把2个重炮兵团的几十门大口径美式榴弹炮，用骡马和人力牵引，拽上怒江东岸的钵卷山等山峰，只要日军炮兵一开炮，邵百昌就下令炮兵以十倍于敌的炮弹回敬对方。如此来往几个回合，对岸日军炮兵不敢再贸然开炮，只是借助大雾、雨天或夜暗，阴一炮阳一炮地打上几发。但这种游击性炮击已失去了准头，徒具象征意义而已。
7月初，惠通桥架设完毕，可以通行汽车。
连续几个昼夜，松山一带高地上的日军虽然由于层峦叠障，看不见远处山谷和山腰公路上的远征军运动情况，可大批来自惠通桥方面的汽车引擎的吼声，在深山谷地汇聚起来，发出巨大的共鸣。每到烟雨濛濛的夜晚，成串成串的卡车大开前灯，把幽幽深谷映得泛白一片。
松山顶上的日军官兵中许多人已在高黎贡山中呆了两年，除少数见过世面的军官之外，大部分人还不曾见识过这种机械化大部队运动的威慑力量。
守备队长金光惠次郎少佐觉察了手下士兵的黯然心情，只好督率官兵们拼命加固工事，或者以松山师团长正在率师团主力进行反攻的消息来激励士气。7月的头一二天，日军守备队着实兴奋了一阵，黄草坝方向传来的隆隆炮声使他们感到了生还的希望，可是很快又得知师团主力已再次退往芒市。此后，松山各阵地笼罩在一种浓浓的绝望气氛中。除了个别指挥官外，几乎所有的官兵都失去了理智，整日里除了厮杀搏斗，就是酗酒发疯。金光少佐看到这种情况反倒放下心来，他要的就是这种近乎于困兽的、可以产生凶残可怕的战斗勇气的精神状态。
几天来，首先抵达的荣誉第一师除一部前往龙陵配合第11集团军作战之外，其他各级部队长全部在第一线了解敌情。他们不太相信新28师的介绍，总认为新28师在渲染困难，以便为自己的挫折开脱。但很快就通过试探性进攻，理解了新28师为什么吃了那么大的苦头。
原来，松山地区的日军阵地早在1942年5月就着手修建了。两年来经过反复改造、加固，已成为名符其实的要塞式阵地。
日军阵地体系分外围前进阵地和内核主阵地，前进阵地包括上松林、小股、侧方、崖、平山和本道等阵地；主阵地包括松山、横股、西山、音部山、关山和里山等阵地。守备队总部设在音部山上。
为了长期扼守，日军在阵地构筑上狠下了一番工夫。所有阵地都有表面和地下两种，地下的不用说了，就连表面阵地和交通壕也统统用30厘米直径的圆木横竖覆盖了两层，上面再铺上一层钢板，然后堆上1.5—2米厚的土层，由于已过了一二个雨季，阵地上已长满了密密重重的灌木和小树。日军不开火，根本就弄不清阵地位于何处。整个阵地已与山峰，密林形成为一个整体。这些阵地普遍都能抗得住大口径炮弹的直接命中，特别坚固的主要堡垒和弹药、物资的贮存地，连美军空中堡垒投掷的1000磅炸弹也奈何不了它们。当然，如果连续直接命中就是另一回事了，可在空中对复杂地形的轰炸难得有那么高的精度。
日军的阵地体系像刺猬一样猬集一团，山峰与山峰之间相距仅几百米，最远的距核心阵地音部山也不过2000米。各阵地既可独立支撑，又可用火力相互支援。
尽管这一带山势险峻，可日军为了尽量延长中国军队从山腰至山顶的滞留时间，以保证最大限度地杀伤中国官兵，所以在各处阵地周围遍设障碍，从山腰开始，即将砍伐的大小树木连枝带权地横贯在树林之间，下面再插满锐利的竹尖，靠近山头阵地的前方还敷设了两三道蛇形铁丝网。所有这些人为设置的鹿砦、荆棘又与疯长的藤蔓蒿草纠缠在一起，成为一道道砍不断、撕不开的死亡之线。
难怪日军狂妄地宣称：“中国军队不付出十万人的代价，休想跨越松山一步！”
7月5日，荣誉第1师主力对日军阵地发起了第2次大规模进攻。这支部队全由伤愈归队的老兵组成，战斗经验丰富，战术动作也相当熟练，并且得到了地面炮火和空中轰炸的有力支援。经过连续10天的反复攻击，荣誉第1师攻占了上松林和平山两处外围阵地，并将日军的给水设施全部破坏。但仍未取得决定性的战果。
这一下，第8军上至何绍周中将，下至前沿士兵，普遍认识到自己接过了一个烫手的土豆。何绍周一气之下，把第82师和第103师全部投入战场，准备发动第3次总攻。何绍周召集各部队团以上军官连续举行沙盘作业，从新28师和荣誉第1师两次总攻受挫的教训中，总结出在如此复杂险峻的地形上进攻，兵力使用必须前轻后重，严忌用大部队冲锋，而在火力配备上必须前重后轻，着重发挥炮火的优势，最大限度地摧毁敌人阵地，杀伤敌人兵员。
在炮兵和航空兵使用上，第8军与长官部取得了一致，即首先动用炮、空力量实施区域性轰炸，扫清各种障碍，暴露日军阵地，而后再结合步兵攻击，对发现的日军火力点和堡垒进行精度炮击和轰炸。
卫立煌上将对第8军的要求非常理解，尽管重庆的蒋介石反复催促尽快拿下松山，可卫立煌深知急不得，必须稳扎稳打才能避免部队的过大伤亡。
卫立煌当着何绍周的面，命令长官部直辖的炮兵指挥官邵百昌中将，对第8军的炮火支援要求必须随呼随应，一次不行两次，两次不行三次，至于炮弹，由长官部充分保证。驻长官部的美军联络组组长窦恩准将早已从驻各部队的美军联络官口中得知了战斗的残酷，因此也向卫立煌拍了胸脯，保证提供最大限度的空中支援。
7月20日，第8军在松山全线展开了第三次总攻。按照计划，怒江东岸的重炮兵从晨晚微露之时起，连续实施了几个小时的区域性炮击。第8军所属的军、师、团乃至营和连属的各种口径的迫击炮、山炮和野炮也纷纷开炮，加入这场炮击大合唱。无数发燃烧弹、破甲弹和人员杀伤弹刮风似地倾泻到日军大大小小的山头上。等于大亮后，美军轰炸机飞临上空时，日军据守的各个山峰已如巨大的火把熊熊燃烧，方圆数里之内，浓烟蔽日，久久不散。
美军的空中堡垒被炮击激起的气浪掀得震荡不已，只好爬向高空，不管三七二十一，哪里炮弹爆炸最密集，哪里烟火最炽烈，就把随携的重磅炸弹和燃烧弹扔向哪里。负责对空联络的无线电里不时传出美军飞行员欣喜若狂的喊声：“太棒了，太棒了，我们马上再来！”言下之意，惟恐自己赶不上趟。
第8军的攻击重点是日军外围的本道阵地。该阵地位于核心阵地以南约2000米处，虽属外围，但由于它所处的位置在主阵地的侧后，并且横切滇缅公路，再加上它的高度几乎与主阵地最高峰音部山同样标高，因此，日军在这里配备了包括100毫米榴弹炮在内的大小口径火炮10多门，以及2个中队的步兵，并利用此地的大小山头，构筑了独立的内外围阵地体系。远征军要想占领最高峰，必须逐个扫荡周围山头的日军，最后才能攻击主峰。
为了夺取本道阵地，从背后威胁日军的核心阵地，第8军把第82师和第103师的主力投放在这里，分别从东西两侧向上攻击。负责西侧攻击的第103师第307团官兵为炮火准备的壮观景象所激奋，误以为日军已丧失了战斗力，因此，炮火刚停，就踏着滚烫的泥土，顶着硝烟烈火，攀陡坡、越外壕、通过障碍物，直插日军主峰阵地。没想到，被连续的轰炸赶到地下坑道的日军突然冒了出来，从正面和两侧的隐蔽堡垒中射出炽烈的弹雨。由于部队已嵌入日军阵地之间，后面的炮兵干着急没有办法，攻击部队只能凭手中的步枪、冲锋枪和手榴弹等近战武器，与堡垒中的日军作殊死抗争。第103团副团长陈一匡急忙命令部队撤了下来。但已有100余名官兵死伤在日军阵地周围。
当晚，陈一匡派出侦察小组渗人敌阵，并根据了解的情况，设置了沙盘模型。第二天下午，陈一匡先组织炮兵对已查明的敌堡实施精度射击，又把全团的火焰喷射器编成8个战斗小组，每组配备1挺轻机枪，1具火箭筒及若干冲锋枪、步枪，决心以小分队攻击战术，逐个消灭火炮不能摧毁的敌堡。
再次发起攻击时，恰逢急风骤雨，攻击小分队紧紧跟随炮击弹幕向上推进。为使步炮密切协同，所有炮兵均按前线步兵指挥官的命令行事。待小分队进至敌堡垒群前60米左右时，陈一匡命令炮火延伸，在敌堡垒后方组成隔阻弹幕，阻止日军其他阵地的支援。在此同时，各小分队分几路分别迫近日军堡垒，机枪、冲锋枪等不间断地封锁日军射孔，掩护火焰喷射器射手瞒准放射。火焰喷射器效力甚大，一条火龙喷射出去射入堡垒后，里面顿时鬼哭狼嚎，弹药爆炸。由于日军堡垒封闭严密，被喷射后保持很高的温度，即使有增援之敌也无法马上利用。但火焰喷射器容量有限，喷放一二次后就必须返回填充。再加上一些小分队运动方法和火力协调不好，使射手未进入发射位置就被日军的机枪或枪榴弹射杀。因此，对日军的堡垒群往往需要反复攻击若干次，才能完全占领。
通常，远征军部队每次攻击失利，就下撤到安全地带重新组织第2次进攻，部队上下运动时间长，牺牲大。鉴于血的教训，第103师严令各部队，抱定寸土必争的决心，攻到哪里，就稳在哪里，一面攻击，一面就地挖坑，入夜后再就地进行掘壕作业，把简陋的单兵掩体联成一道防线。第二天再向上发展攻击，再就地构筑工事，如此循环，稳扎稳打。这样一来，就打破了以往攻击一次，间歇一阵的规律。由于双方工事相距几十米至百多米，因此不管白天黑夜或刮风下雨，每时每刻都在战斗。日军用轻重机枪和枪榴弹射击，远征军用迫击炮、火箭筒及步机枪还击。再近一点，双方的手榴弹你来我往，炸得不亦乐乎。如此短兵相接，双方官兵的神经都高度紧张，不敢稍有懈怠。否则，就会被对方利用时机、冲入壕内，展开残酷的白刃战。
日军对这种近距离的壕沟作业非常害怕，每到风雨天、夜暗后就频频发起逆袭，执意要将远征军官兵驱离阵地前沿。往往几个回合下来，双方尸体填沟充壑，血水和着雨水在壕内横淌。最惨的要数那些重伤员，激烈交战的时候，谁也顾不上他们，只能任由他们自己爬着离开战场。
经过几个昼夜的惨烈争夺，日军本道阵地的范围越缩越小。每天都在音部山注视本道方面战况的金光少佐，鉴于各方面都在激烈争夺，手头实在抽不出兵力了，只好把军旗护卫队和守备队本部的人员抽出来增援本道方面。
但是，杯水车薪，岂能倒转乾坤，只不过徒增一些陪葬鬼而已。
25日一天，双方在本道主阵地前反复肉搏冲杀。残余的日军官兵不甘在地下工事内被火焰喷射器烧死，纷纷举着战刀和刺刀冲出地下，在狭窄的堑壕内与第103师官兵拼死肉博。几经反复后，中国官兵尽量避免与已经发疯了的日军进行白刃战，而是尽量不让日军贴近身边，用手中的步枪、冲锋枪，甚至火焰喷射器和火箭筒猛射扑到身前的日军。日军也真够顽固的，有的人被喷成一个火球后，还借着最后的冲劲抱住中国士兵。碰到这种情况，谁也没有办法去救，只好任由两个人滚翻一阵，化为焦碳。当天黄昏，本道阵地公路以西部分全部落入第103师手中。以后7天内，第103师及第82师部队各一部集中攻击本道东侧阵地。远征军部队打出了经验，把山炮、机关炮、迫击炮、速射炮推进到日军阵地前300米距离上，完全是一派大炮上刺刀的打法。夜晚炮兵也不闲着，前边的步兵用轻重机枪对准日军火力点射孔，猛打曳光弹指示目标，炮兵则以直瞄方法对准火光的文汇点猛烈射击，几十发甚至上百发炮弹打出去后才转向另一个目标。几天下来，日军阵地上寸草不存，一片焦黑，到处都是弹坑。暴露在表面的双方尸体也被炸得支离破碎，周围弥漫着呛人的尸臭，久久不散。8月2日，远征军官兵将日军全部打死之后，彻底占领了本道阵地。
本道阵地的危机，对日军震动极大。位于芒市的第56师团司令部给守备队发来电报，命令守备队在最坏的情况下烧毁军旗。几天后，松山祐三师团长仍放心不下，再次发出详细指示，指定守备队副官真锅邦人大尉专人负责焚烧军旗之事。为了防止意外，电报特准真锅大尉可以在他认为最坏情况发生之前，自主决定焚烧军旗。同时指示，从现在起即可逐步烧毁所有公文信件、个人日记。家信以及其他一切文字材料。8月3日，真锅大尉发电报告，已将军旗从旗杆上取下，缠在自己腰间，旗杆已经烧毁，请师团长放心等等。
松山师团长真正是无技可施了，电报迭传，无一涉及作战方面的指示，只是一个劲地安排后事，可见松山守备队已经黄泉路近了。
至8月上旬，第8军各部陆续攻占了日军外围各主要阵地，逐渐迫近了以音部山为中心的主阵地。7日，开始了又一次总攻击，目的在于挟克复外围的威势，一举荡平全部日军阵地。此时的形势对第8军非常有利，怒江东岸的重炮群、西岸原口山上的120毫米榴弹炮群，以及本道阵地利其他方向上的山炮群，构成了一个完整的环形火力网，可以从前后左右各个方向轰击日军诸山头的各个角落。日军的大口径火炮被彻底打哑了，只能凭借异常坚固的地下工事抵御日复一日的猛烈炮击。
此次总攻的重点目标是第82师负责的关山高地。关山与日军守备队本部所在的最高峰音部山仅隔100米，成为音部山的一道屏障。日军在这里修筑了大型母堡两个，子堡多个，深沟密垒，围以3道铁丝网，并有掩盖交通壕联系各处。这个据点配有轻重机枪、迫击炮、枪格弹、火箭筒等，构成严密的火网。自从开战以来，虽经2个月的飞机轰炸和重炮炮击，但关山的堡垒群却从未损坏，1000磅的炸弹炸出3米深的大坑，但仍然损伤不了日军的堡垒。第82师一部一个月来对关山阵地实施了多次攻击，但障碍重重，伤亡惨重，始终无法接近敌堡。
第8军军长何绍周连夜召集各部正副师长以上将领研究攻占关山的办法，决定力避强攻，既然炮火从上面奈何不了它，就采取坑道爆破，从地下炸毁日军的堡垒。何绍周指定第82师副师长王景渊统率第246团和军属工兵营，从山腰上挖掘坑道，直入日军堡垒下方。8月11日开始，工兵营开始作业，掘进两条坑道，构成两个药室。在此期间，炮兵依旧实施炮击，步兵也不断进行佯攻，以麻痹日军，掩护工兵作业。19日，工兵营把两卡车共6吨梯恩梯炸药装进药室，用麻袋填堵结实后退出坑道。
20日拂晓，各个方向的炮兵集中炮击关山，第82师攻击部队的所有武器全部开火，山上山下喊杀声震耳欲耷，一副不拿下关山誓不罢休的总决战架势。其目的很简单，就是要吸引更多的日军于关山高地。上午11时左右，佯攻部队全部撤出，周围部队及各个指挥所的人员全都瞪圆了眼睛盯着山顶，甚至一些炮兵也停止了射击，等着山顶上出现罕见的奇观。
随着工兵指挥官的一个手势，指挥所内所有人员全都下意识地捂住了耳朵。两股浓浓的黑色烟柱突然腾起，直冲云霄，随后传来沉闷的爆炸声。四周的群山在大爆炸中微微颤抖，回声像闷雷似的在山间激荡。稍顷，部队吼着、欢呼着蜂拥而上。整个山顶被炸得面目全非，两个深15米、直径近40米的深坑看着都令人心悸。阵地上的日军几乎全部炸毙，仅有奄奄一息的4名日军奇迹般地存活下来。
不知死活的日军竟然还想夺回关山，连续两个夜晚发动反扑，结果又在关山上遗尸百具，方才作罢。
第8军攻克关山后，马上将炮兵和步兵主力转向攻打音部山、西山阵地。
8月29日占领日军阵地体系的最高峰音部山，然后自高而低地压向西山。
8月30日，日军守备队长金光少佐向芒市告急：“经长期战斗，守备队小队长以上军官全部死伤，士兵仅剩残废者，目前仅能死守西山、横股阵地。
切望师团主力能编组挺进队增援守备队。”
9月5日，第8军部队完全包围了西山。金光少佐向松山中将发出最后的快别电报：“四周情况急迫，已到最后时刻。小官指挥拙劣，有负师团长阁下厚望。谨祝天皇陛下万寿无疆、皇运昌隆，祝师团长阁下武运长久。”
随后，将密码、电台等全部破坏，同时将散落在周围的零散兵力集中在西山，9月6日黄昏，密集的迫击炮弹把金光少佐的腹部以下全部炸飞。
第二天黄昏，连续100天隆隆作响的炮声渐渐趋于消失，四周山谷密林中不时发出断断续续的枪声和手榴弹爆炸声，在沉寂的夜空中显得分外响亮，那是远征军在搜索零星的残敌。
松山一战，日军守备队除木下昌己中尉等3人脱逃，数十人重伤被俘之外，其余3000余人全部毙命。远征军方面战死3800余人，负伤近4000人。
9月9日，重庆蒋介石致电远征军长官部，内称：
“欣闻松山克复，不胜快慰。望第8军迅速准备加入龙陵方面作战，第20集团军务必于‘九一八’国耻日之前夺回腾冲。目前，全盘战局已向有利于我方方向发展，胜利曙光已经显露，但前途仍很辽远，长官部及各级将领，务须激励属下，继续与顽寇殊死相争，驱除敌寇于国门之外。”
以“九一八”为最后限期的腾冲攻坚战已经接近尾声了。
腾冲古称腾越，是滇西重镇，位于高黎贡山脉以西、龙陵以北的腾冲平野的正中，拥有人口4万。腾冲古城始建于明代，四周环绕着约4公里长的城墙，呈四方形状。城墙非常高大宽厚，全由坚硬的大块石料砌成。城的四周是开阔的平地，再向外就是起伏的高地，城南2公里处有比高200多米的来凤山，西面约3公里外是宝凤山，北面4公里处是高良山，东北面2公里是飞凤山。其中最重要的是南面的来凤山，可以直接俯瞰腾冲城内。
腾冲守军是藏重康美大佐指挥的4000余名合成部队，其中包括第148联队本部及3个步兵大队的主力、野炮兵第56联队一部、工兵第56联队一部、辎重兵第56联队一部，以及宪兵、通讯兵、防疫给水部队、第一野战医院等各一部。
远征军第20集团军用于腾冲围城战的兵力有第53军的第116、第130师，第54军的第36、第198师，以及预备第2师，总兵力约4万多人。
至6月20日，第20集团军先后肃清了腾北地区的桥头、江萱、瓦甸等地日军，迫使藏重康美大佐收扰部队，退据腾冲。第20集团军各部衔尾追击，到7月上旬，各部队分别夺取了腾冲北面的高良山、东面的飞凤山，以及西面的宝凤山。第53军的第130师、第116师各以一个团沿尤川江南下，迂回腾冲南面，在南甸和孟连附近切断了腾八和腾龙公路。第20集团军完成了对腾冲日军的战役包围。
按照总司令霍揆彰的部署，第20集团军主力采取关门打狗的战术，由南向北呈半月形向腾冲城压缩，重点先取城南制高点来凤山。对来凤山的攻击主要由预备第2师承担，其左翼第36师负责攻击东营阵地，其右翼第116师从东西攻击礼仪台、满金邑阵地。各部队连日来对各自当面的日军进行了大规模威力侦察，虽小有所获，但南面日军的城外防御体系仍基本完好。
卫立煌忍耐不住，连发数电，严令霍揆彰必须尽快对腾冲发起全面总攻。
7月23日天一亮，第20集团军开始了第一次总攻。来凤山一带重点目标在远征军炽烈炮火的猛烈轰击下，顷刻之间变成一片火海。但由于日军长期经营的防御阵地非常坚固，抵抗极为顽强。再加上山峰丘陵之上无遮无掩，预备第2师部队一发起冲锋，马上就暴露在日军的交叉火网之下。接连3天，部队在日军阵地前的几道铁丝网前死伤枕籍，攻击受挫。
预备第2师师长顾葆裕心急如焚，要求霍揆彰迅速调集各部的火焰喷射器，集中使用在来凤山，同时派空军投掷重磅炸弹及黄磷弹，否则，对来凤山的攻击无法取得成功。
霍揆彰深知来凤山的重要性，更不怀疑日军死守来凤山制高点的决心；拿不下来凤山，其他方向的部队也无法靠近腾冲城垣。
“顾师长，集团军对你部的困难非常理解，将尽量满足预2师的要求。
但是，不管如何困难，对来凤山日军的攻击都不能有丝毫放松，绝不给日军以喘息和维修工事的任何机会。此点至关紧要，前线官兵有懈怠畏战者，立杀无赦。”霍揆彰的命令充满杀气。
27日，天刚蒙蒙亮，美国第14航空队的57架战斗机和轰炸机列队飞临腾冲上空。预2师部队早已在地面敷置了多处指示标记，师部的美军联络军官也打开对空联络机，呜哩哇啦一通喊叫。只听空中传来“OK，OK”的回答，飞机分批向白塔高地等来凤山各处日军阵地俯冲轰炸，一批批的黄磷弹把日军阵地表面烧得腾起满山的火苗，专门用来摧毁日军地下堡垒工事的破甲弹凌空而落，穿过火焰直贯地下。轰炸结束后，地面炮火又连续大面积炮击，仅27日一天就把5000发炮弹倾泻在来凤山上。
第二次总攻击开始了。预2师把攻击部队分成好几个波次，第一波受挫，马上展开第二波攻击，如此交替，连续攻击。同时，又派出有力一部，嵌入腾冲城与来凤山之间地带，冒着来自城上和来凤山上的夹击火力，强行斩断了城内外日军的增援道路。
战至27日黄昏，来凤山各处的日军守备队几乎伤亡殆尽，几道铁丝网被炸成一节一节，地下掩体有的被炸弹拘成了深坑，有的表面完好，可里面连同人员都被火焰喷射器烧得焦黑。不得已，藏重康美大佐忍痛下令来凤山残存日军沿坑道撤回城墙一线阵地。其他外廓高地的日军也只好退守城垣。
腾冲攻防战转入城垣战斗阶段。
日军的城垣阵地非常复杂。各个城门口和城墙拐角都构有石块及钢筋混凝土浇铸的大小地堡，外面再环围几道铁丝网，铁丝网以外又建有覆盖的野战阵地，各阵地间由深深的堑壕相连。城墙上设有众多的火炮及轻重机枪火力点，可以居高临下，用火力窗盖城外平地。城内的城墙根下建有防空、屯兵两用的壕沟，可以随时登上城墙增援。城内所有房屋均按照巷战要求加以改造，各大小街道两侧构筑有木头和沙袋覆盖的掩体，明沟暗壕像蜘蛛网似地遍布城内各处。
7月底至8月初，第20集团军设在来凤山上的炮兵连续用炮火轰击城内外的日军防御阵地，炮火所到之处，建筑物全部坍塌，成为一片废墟，但建于地下的日军堡垒却完好如初，坍塌的房屋堆积起来，等于为日军阵地又加上了一层覆盖物。由于城墙坚硬，炮弹打在上面，往往只能在石块上击出一些斑痕。8月2日凌晨，第20集团军各部对城垣阵地发动第一次全面进攻。
大约60架飞机和100多门火炮将几千发炮弹及炸弹倾泻到日军头上，地面部队尾随炮火直冲城外日军堡垒，先用火箭筒在堡垒上凿开洞孔，再用火焰喷射器喷射，或者用炸药包和加重手榴弹掷入其中。日军顽强抵抗，城上城下各种武器不停地狂叫，组成一张立体的密集火网。负责攻击西南城垣的第36师部队死伤累累，尤其是爆破手、火箭筒手和火焰喷射器手，更是日军火力的重点杀伤目标。他们中的许多人已在日军堡垒前或死或伤，但日军仍不敢大意，各个角度的弹雨仍在他们的周围乱飞，直至将炸药包和喷射器击爆为止。尽管如此，第36师仍于8月3日逐个摧毁了日军的城外堡垒群，部分官兵通过飞机重磅炸弹炸出的缺口突入城内。但是，不等这部分部队站稳脚跟，日军就从几个方向猛扑突破口，同时用密集火力阻断后续部队登城路线。入城部队伤亡过重，只好借助夜幕将残部撤出城外。
第二天下午，第54军军长方天中将来到第36师师部视察战况。只见第36师将所有火器集中到城西南角，城上城下已被火焰喷射器烧得焦黑一片。
可是每当部队冲至敌前时，城墙上、废墟里就喷出炽烈的弹雨，手榴弹像雨点似地砸下城头，攻击部队的尸体布满城下。
夜幕再次降临时，方天长吁一声：“把部队撤下来，明天再说。”当晚，方天向集团军和远征军长官部分别致电：
“我部连日来迭次发动攻击，但损害续出，无法突入城垣。请空军给予全力支援，炸毁城墙，以便利地面部队突入城内。另，迅速空投手榴弹20000发，部队突入后，将以手榴弹为主要武器。”
隔日，美军派出15架B一25轰炸机，一天内连续对城墙轰炸多次，在城墙上炸开了13处缺口。日军一俟飞机离去，马上拼命封堵城墙缺口，而远征军部队则以炮火和轻重机枪拼命射击缺口处。这一天，第36师及其他方面的部队数次突入城内，但都在日军的拼死反击下被击退。
8月7日，负责守备来凤山的预备第2师抽出一个团加强第36师。此时的第36师每个步兵团的作战人员已减至400人以下。此后几天，部队暂停攻城，每天以炮兵和飞机反复破坏日军阵地，部队忙于补充休整，同时改变战术，集中力量挖掘坑道，准备对城墙进行大爆破。
在此期间，美国空军非常活跃，常常冒雨飞临战场，或空投各种物资，或对城内外各个目标实施轰炸，几乎天天不断。8月23日，B一25轰炸机投下的几颗重磅炸弹，直接命中了东门内的守备队本部，炸死日军官兵32人，其中包括守备队长藏重康美大佐、第148联队副官奥景光大尉、第2中队长下川忠藏大尉、第2机枪中队长大贺保大尉、福山平八郎大尉、第148联队旗子北原升一中尉、军医落合方雄中尉等各级军官。
经过一周的准备，第20集团军于8月14日清晨7时，发起了对城垣的第2次总攻。腾冲城内外烟幕浓重、炸点密布，城墙多处被坑道爆破撕开裂口，炸碎了的日军肢体混杂在碎石废墟之中，比比皆是。远征军各部队官兵犹如怒涛拍岸般地猛扑城墙合缺口，几乎每个缺口处都在肉搏。躲在城内深壕内的日军冲杀出来，手榴弹、掷弹筒和轻重机关枪集中射击狭窄的缺口。
双方官兵撕扯在一堆，你用战刀砍掉对方的头颅，我用刺刀捅进你的胸腹，负伤倒地的伤兵被无数只脚反复践踏，直踩得七窍出血，肝肠俱碎。有的伤兵血糊满脸，也不管周围是敌人还是战友，心一横就拉响了手榴弹，远征军虽几次突入城内，但都因日军拼死反击，站不住脚退出城外。
16日，第54军军长方天命令负责攻击城北拐角楼、饮马水的第198师除留一部继续佯攻外，把主力转用于第36师及预2师方面，目的在于集中全力首先突破西南角。
17日，第54军部队反复争夺、大量杀伤日军之后，终于在南门附近和西南角的三个缺口站稳了脚跟。部队一边与反击的日军拼杀，一边玩命般地在突破口赶构工事，木头、石块、甚至双方的尸体，全用来做工事。同时，又尽力向两侧渗透，一寸一尺地扩大突破口。日军连续实施3次反冲锋后，终于力竭。当天下午，远征军后续部队相继从此处登城，向城内发展攻势，终于控制了腾冲城内一隅。
虽然日军已无力将西南角的远征军赶出城外，但仍然控制着南门、西门、东门、北门等城垣防线，并凭借城内密布的房屋和地堡工事阻止西南角的中国部队前进。
8月19日，第20集团军发动第3次总攻。除了第36师、第198师主力及预2师一部继续在西甫角与日军展开激烈巷战以外，第53军军长周福成中将又将负责切断腾冲一龙陵公路的第130师主力转用于腾冲，与该军第116师合力攻击城东南部。第20集团军的5个师，除少数部队在外围高地负责警备之外，其余主力全部加入攻城战。
至8月21日，远征军向城内倾泻了1.5万发炮弹，轰炸机轰炸100多个架次。下午，除东南城角以外，南侧城墙全部被第53军部队攻占，随即进入城内，与日军展开巷战。24日，第198师夺取西门，也突进城内。日军守备队以一部继续扼守北面和东北面城垣，其余兵力全部用于巷战。9月1日，第53军部队夺占了东南角。
此时，日军阵地仅剩下自东门稍南，经城中的中央门，至西北角一线以北的约半个城区，其兵力也只有千余名。
巷战的残酷难以言表，每前进一米都要付出生命的代价。街道两侧房屋废墟全成了日军的火力点，中国部队必须逐点逐屋的占领，方能继续前进，进入巷战后，炮火已发挥不了大的作用，火箭筒、火焰喷射器、加重手榴弹成为消灭顽固日军的锐利武器。明明已经占领了的房屋，却从背后突然射出子弹和手榴弹。原来日军采取擅长的单兵作战方法，穿墙越屋，渗入中国军队侧后实施打击。当中国官兵回头收拾他时，又无影无踪了。根本没有完整的战线，任何一处废墟都隐伏着手机。中国官兵杀红了眼，对每一处房屋都甩手榴弹、炸药包炸，用喷火器烧。白天黑夜，城内杀声不绝，枪炮声不息。
最后的总攻于9月5日爆发。第20集团军集中城内外所有大小火炮，在空中的密切配合下，对城内日军阵地展开了饱和轰炸。攻击重点指向城正中的中央门。下午4时左右，全面摧垮日军防御，日军各点被孤立。至9日中午，除日军守备队本部仍在东北角负隅顽抗外，城内各处日军被基本肃清。
当天，蒋介石发出的“必须于‘九一八’国耻日之前拿下腾冲”的严厉命令传达到前线各部队。各部不敢懈怠，猛攻日军的最后阵地。
9月11日，腾冲日军向芒市发出诀别电：
“敌增加兵力强行压缩我方阵地，守备队剩余兵力正在东北一隅，以守备队本部为中心的环形阵地进行最后的血战。目前，敌军已攻至守备队本部前方80米处。军旗已烧毁。祈祝圣上万岁！”
第2天凌晨6时，芒市第56师团师团长收到来自腾冲的最后一封电报，内称，将于13日藏重康美大佐战死整一个月的忌日发动最后的突击。
9月13日，日军残余官兵100余人高喊“万岁”，冲出阵地进行了最后的自杀性冲锋，远征军部队毫不留情地将这股亡命之徒全部击毙。
第2天，腾冲城完全恢复了战前的宁静，只有燃烧未尽的废墟仍在细雨之中冒着袅袅轻烟。
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