1944年4月中旬，中国远征军为策应缅北中国驻印军反攻作战，打通中印公路，颁发作战计划，以第20集团军为攻击军，强渡怒江，向高黎贡山及腾冲的日军攻击；第11集团军为防守军，固守怒江东岸原阵地，并由第一线各师分派加强团渡江作战，以策应攻击军。同时，以美军第14航空队（3个战斗机中队，2个轰炸机中队）配合作战。
1944年5月11日，中国远征军发起滇西反攻作战。11时，攻击军（第20集团军）首先以第54军第198师第594团于栗柴坝、孙足渡口渡过怒江，与原在怒江西岸之预备第2师游击营配合，攻占那瓦寨，并向北斋公房的日军警戒。19时，第一线兵团（第54军）之第198师主力由励古渡、水井渡；第36师（配属第53军第116师第346团）由康郎渡、励獭渡、缅臭渡、大沙坝、龙潭渡，在强大的空、炮火力和工兵支援下，分别强渡怒江。至12日拂晓，第一线兵团各部队均已渡过怒江。同时，防守军（第11集团军）方面为策应攻击军作战，以新编第39师加强团由惠仁桥、第88师加强团由打黑渡、第76师和第9师联合编成的加强团由罕拐渡，分别渡江，因行动隐秘，均未遭日军抵抗。渡江后，新编第39师加强团于13日攻占江木树；第76师和第9师联合加强团与第88师加强团合力夹击平夏街。13日，日军大部退向芒市，仅以一部固守平易街。新编第53师业已以1个加强团向滚弄方向攻击。
第54军右翼第198师主力渡江后，连克大寨、茶房，向北斋公房攻击。北斋公房位居高黎贡山险要，日军工事坚固，据险顽抗，第198师久攻不克，遂以一部正面监视，主力由两侧绕越，向马面关、桥头攻击。16日，该师在炮、空火力支援下，一举攻占马面关和桥头。21日，第198师主力对北斋公房再次发起攻击，日军第56师第148团1个营据险死守，双方形成对峙。
第54军左翼第36师（附第116师第346团）渡江后，即向大尖山、唐习山、鸡心山方面攻击。日军利用外围据点凭险死守。经3日苦战，第36师曾一度攻入鸡心山，但又被日军击退。13日10时，第20集团军令其第二线兵团第53军渡江，接替第36师任务。第53军第116、第130师于13日午夜，自第36师原渡江位置渡过怒江，至14日接替第36师向大尖山、唐习山等地攻击，第36师则在回恒山北则集结，原配属的第346团归还第116师建制。14日晨，第53军对大尖山、唐习山日军发起攻击，在优势炮、空火力支援下，于15日晨将上述日军据点攻克，并继续向江直街前进，沿途遭各据点日军阻击，战斗甚为激烈。日军所有据点均地势险要，第53军实施仰攻，牺牲甚大，遂在优势炮、空火力支援下，先以火力摧毁日军工事，再以步兵迂回敌后，包围攻击，苦战到6月21日，终将南斋公房、江直街等地攻克。
右翼方面，第54军第198师主力久攻北斋公房不克，陷入苦战。6月9日，日军第56师调集主力向北斋公房方面增援，突破第198师马面关、桥头阵地，与北斋公房日军取得联络。第54军急令第36师以一部监视瓦甸之敌，主力北攻桥头，协同第198师反击增援之敌，将日军击退。此时，第11集团军第6军预备第2师奉命赶来增援。6月14日，第198、第36师、预备第2师合力攻克北斋公房，16日再克马面关、桥头。残敌分经明光、瓦甸向腾冲退却。上述各部继续猛攻，预备第2师先后攻克明光、固东街，第36师攻克瓦甸。随后，第54军于龙川江东岸集结，准备向腾冲攻击。
在渡江各兵团展开攻击时，国民政府军事委员会鉴于中国驻印军开始攻击密支那，日军难以调兵增援滇西，遂于5月22日命令中国远征军，迅速攻占腾冲、龙陵，与驻印军会师缅北，打通中印公路。远征军司令长官奉令后，当即命令：第20集团军（辖第53军、第54军、预备第2师）为右集团军，仍按原计划攻击腾冲；第11集团军（辖第6军欠预备第2师、第71军、第2军）为左集团军，攻击龙陵，并限5月底以前完成攻击准备。
第11集团军于6月1日发起全面攻击。第71军（配属第6军新编第39师）自6月1日至3日，分别由惠通桥、毕寨渡、三江口附近渡过怒江。其新编第28师（欠第84团）于6月4日攻克腊勐，向松山进攻，久攻不下。第71军主力第87、第88师并配属第84团，沿毕（寨度）龙（陵）道路南侧地区向龙陵突进，于10日进抵龙陵近郊，并向龙陵日军发起攻击。龙陵日军据守城内、外据点抵抗，双方陷入苦战。此时，日军约1500人自腾冲方面沿腾龙公路向龙陵增援，15日越过龙川江。第71军以第87师主力迎击，双方激战于龙陵北侧地区，反复肉搏，双方伤亡均大。同时芒市方面日军约600人，也向龙陵增援，与新编第28师第84团激战于放马桥附近。该股日军主力虽被第84团阻击，但其一部仍进入龙陵城。第11集团军乃下令停止攻击，并向后转移阵地，准备尔后再次攻击，又令新编第39师由龙江桥经三甲街向龙头街进击，掩护军之右翼。18日，由各方面集中于龙陵的日军约有5000余人，并于21日向第71军反击，战斗激烈，双方形成对峙。
6月下旬，远征军司令长官部得知：缅北的中国驻印军正增加兵力向密支那攻击。腾冲方面的日军已以一部增援龙陵。第20集团军已进抵江直街、固东街、大龙井，并已完成对腾冲的攻击准备，即电令第20集团军分兵3路，主力保持在右，向腾冲攻击。
第20集团军奉令后，立即调整攻击部署：令第54军（欠第198师）附预备第2师于26日前到达顺江街及其以东地区，再沿顺江街、腾冲道推进，驱逐日军警戒部队，先攻占宝凤山、来凤山，再协同第53军对腾冲实施包围攻击；令第53军立即派兵一部占领杭励山，其余各部队于26日前，在千榨山、打豆山、龙川江右岸地区沿打豆山、观音寺向蜚凤山攻击，再以1个团沿龙川江左岸南下，渡过龙川江后，随军主力进展，向飞凤山攻击。攻占各据点后，再协同第54军包围腾冲，攻击而占领之。第198师为集团军预备队，先在瓦店集结，等第53军挺进后，再进至江直街待命。
6月25日，第54军和第53军分别自龙川江西岸、清水河南岸向腾冲推进。28日，第20集团军令已进至宝凤山北端之线的第54军主力沿公路以西地区，先攻占宝凤山、来凤山，再协力第58军攻击腾冲城。29日，集团军各部队已迫近腾冲外围据点。7月2日，第20集团军以左翼为重点开始攻击。日军据守外围飞凤山、观音堂、来凤山等险要坚固据点顽抗，攻击进展迟缓。至16日，集团军以第36师主力向来凤山方面增加兵力，并增加炮兵火力，在空军支援下，经10天激战，终于27日将来凤山攻克。第53军方面已将飞凤山攻克，随即向腾冲城进迫。至此，腾冲外围据点全部夺取，残余日军退入城内固守。
7月27日起，第20集团军进行攻城准备。8月2日，空军对腾冲城开始轰炸。此时，各攻城部队在炮、空火力支援下，向城垣发起攻击，经两日激战，夺占城垣及城外堡垒7个，但未能突入城内。此后，攻城部队进行坑道作业，实施敌前爆破，空军不断对腾冲城进行轰炸。8月15日，第20集团军调整部署后，再次对腾冲城发起总攻，战至21日，将城垣之日军大部歼灭。城南方面第36、第198、第116师先后攻入城内，自南向北逐巷逐屋攻击，与日军展开激战，反复争夺，直至9月14日，城内日军全部被歼，日军代理团长及部分官兵于弹尽援断后绝望自杀。
左集团军（第11集团军）方面，由远征军总预备队第8军接替围攻松山的新编第28师的任务，第11集团军再度向龙陵发起攻击。
8月14日，第11集团军第71军再次向龙陵发起攻击，激战至26日，一部突入龙陵市区，城内日军约三四百人仍死守核心据点，拼死抵抗。第2军对平易的攻击也进展甚微。芒市方面的日军，自8月中旬以来，从其国内得到约2000人的兵员补充，并由腊戍、南坎方面调来第2师第16团及第4团各一部，其兵力达6000余人。自27日起，芒市日军主力沿芒（市）龙（陵）公路突进，打通了由芒市到龙陵的交通线。龙陵日军得到补充后进行反扑，并夺回部分外围据点。9月上旬，中国第5军第200师从昆明适时赶到，立即加入战斗，同时在腾冲方面作战的第36师也由腾冲南下参加战斗。经3昼夜激战，日军被迫退回芒市。23日，平易日军向芒市撤退，第76师收复平易。滇西残余日军固守龙陵、芒市顽抗。
此时，围攻龙陵的中国远征军部队除第71军外，第200师、第8军荣誉第1师、第20集团军第36师，均已参加该方面的作战。上述部队统由第71军军长钟彬指挥。10月25日，远征军再向龙陵发动统一攻击，至11月6日，龙陵外围据点及市区全部被攻克，日军大部被歼，仅少数向芒市退去。
中国远征军攻克龙陵后，远征军司令长官部鉴于滇西日军已大部被歼，其溃退之部已成强弩之末，并且中国驻印军正在向南坎进逼，日军已无力向滇西增援。为迅速打通中印公路，与驻印军会师，于是以第2军、第71军（附第200师）及第53军，沿滇缅公路及其两侧分3路向芒市、遮放进攻。
第71军（附第200师）于17日开始攻击，经3日挺进，攻抵芒市近郊，据守芒市的日军，为滇西日军各师、团残部。芒市工事虽然坚固，但日军士气低落，毫无斗志。当第71军逐渐形成包围圈时，日军分向遮放、孟力戛撤退，芒市遂被收复。21日，远征军以第6军接替第71军，于11月底进至遮放。第2军连续击破孟力戛、蛮牛坝日军的微弱抵抗后，于12月中旬进抵孟力古街附近。第53军于11月15日由河头街地区沿芒市、遮放道路西侧向遮放挺进，18日进抵来劳山附近地区，稍事整顿，旋即经遮放继续向畹町推进。1945年1月上旬，3路攻击军进抵畹町附近，并展开围攻。24日，击溃残余日军，占领畹町。第11集团军当即越过国境，分途追击。1月27日，中国远征军与中国驻印军在芒友胜利会师。中国西南国际补给线中印公路完全打通。滚弄方面的日军撤向缅甸中部，新编第38师将滚弄收复。1月28日，中美两军高级将领在畹町举行会师典礼。至此，滇西反攻作战胜利结束，中国远征军陆续回国。