腾冲为滇西重镇，古称“腾越”，大盈江流经城西，龙川江则从其东面流过，城区为狭长而曲折的盆地，四周均为高山：东为飞凤山，西为宝凤山，南为来凤山，北为蜚凤山。“四凤求凰”腾冲城很高贵。
腾冲城高五米，墙宽两米，呈正方形，各边长两公里，下砌巨石上筑青砖，坚固难摧易守难攻。日军在此经营两年，堡垒林立，坑道相通，形成一座坚固要塞。
日军第148联队于6月21日自高黎贡山败退入腾冲城后，奉命死守至10月底，等待援军。6月27日，第148联队派第3大队增援龙陵后，城内守军尚有2，025人，连同非战斗人员共三千余人。
6月下旬，远征军鉴于驻印军已克甘马因、孟拱，密支那不日可占，第8军业已到来，第11集团军渡江后进展迅速，松山虽屡攻未克，第71军主力已逼近龙陵，第2军正向芒市进攻，右翼第20集团军已肃清了龙川江沿岸日军，迫近腾冲。
6月23日，卫立煌命令：以第20集团军全力夺取腾冲；同时以第8军第200师增强第11集团军，令第11集团军尽快攻取龙陵。
第20集团军受命后，立即部署攻城：
以第54军（欠第198师）附预2师、重迫击炮营为右兵团，沿顺江街至腾冲大道先攻占宝凤山、来凤山，协同第53军围攻腾冲；第53军附重迫击炮营为左兵团，以一部先攻占抗猛山，向酒店以南推进，主力应于26日前到达干榨山、打苴山、龙川江西岸，准备向飞凤山攻击；另以一部为左侧支队，向飞凤山进攻。第198师为预备兵团，先在瓦甸集结，待第53军前进后，向江苴街推进。
7月2日拂晓，第20集团军对腾冲外围据点发动全面进攻。
第54军预2师穿过宝凤山，强渡大盈江，向芭蕉关进攻；第36师进抵大盈江北岸干龙、下马坞之线，以一部协助第198师第592团，攻击5130高地；第53军第116师在第198师支援下一举攻占5830高地，其第346团正向罗汉冲攻击；第130师第388团已进至飞凤山以南的吴邑，师主力正向上下勐连进攻中。
此部署，基本构成了对腾冲的包围态势。
各部队战斗到12日，已逼近城垣：第54军预2师已克毗卢寺，正攻来凤山；第36师接近腾冲城西北角；第198师与日军在饮马河激战；第53军第116师已占领娘娘庙、满金邑；第130师攻占上下勐连后以一部控制龙江桥。
第20集团军遂于7月27日下令攻城：
第54军附重迫击炮营向南门亘西门、北门至东门（不含）之线攻击，预2师固守来凤山、来凤寺；第53军以第116师附重迫击炮及军山炮兵营向东门亘南门（不含）之线进攻；第130师担任对龙陵方面警戒，以一部置于倪家铺，策应第116师作战。
8月2日，第20集团军发动全线攻城，激战至8月6日，炸开城墙，纷纷突入城内，却遭到日军侧防火力点的猛烈射击，伤亡剧增，遂令入城各部队就地构筑工事，挖掘交通壕，巩固既得阵地，以便逐步向前推进。
日军守城兵力虽少，但防御工事极为隐蔽而坚固，火网严密，所有街道都被侧防火力点所封锁，进攻部队多在越过街道或空地时突遭射击而伤亡倍增。
第20集团军针对日军此种战法，采取逐屋逐街进攻，先摧毁日军埋伏的侧防火力点，在炮火掩护下步步推进，占领一处巩固一处，逐步“蚕食”。
激战至13日，日军联队长藏重康美及联队所有佐（校）级军官全被击毙，由太田正人大尉指挥联队残部1，600余人继续抵抗。
8月15日、19日、31日，又发动三次攻击，经反复争夺，白刃肉搏，付出重大伤亡。
9月9日，传来******训令：“腾冲必须在9月18日国耻纪念日之前夺回。”
9月13日，第20集团军集中全力猛攻竟日，黄昏时分肃清残敌。
9月14日，完全克复腾冲城。
此战俘虏日军官三人、士兵52人，其余全部被击毙。第20集团军伤亡官兵一万余人。
腾冲光复后，在腾冲城外西南约一公里的山冈上修建“国殇墓园”，内葬4，800余名阵亡将士忠骸，并建立阵亡将士纪念碑，将此战役中牺牲的第20集团军官兵和盟军官兵的姓名刻于碑上。另建忠烈祠，陈列记录作战照片和阵亡将士遗物。