但是，夺取密支那城区的战斗十分激烈而艰苦。史迪威将军在空降成功的鼓舞下，命令部队两周内拿下密支那。然而，他低估了日军。中美联合突击队占领密支那机场后，日军急忙从中国云南西部和八莫调派部队向密支那增援，使该地日军达到约两个联队的兵力。轻敌冒进的中美部队在密支那火车站惨遭日军伏击，伤亡巨大。史迪威连续向密支那空运了五个团的兵力，各部队不断向日军发动猛攻，但日军凭借坚固的工事，顽固抵抗。随着雨季的到来，战斗更加艰苦。
到了7月份，孟拱和加迈的日军已被歼灭，密支那成为一座孤城。日军指挥官水上源藏少将按照本多军长“死守密支那”的命令，依然负隅顽抗，作困兽之斗。史迪威撤换了联军指挥官博特纳准将，重新调整了部署，命令第五十师、新编第三十师和美军突击队从三面围攻密支那。
7月13日，中美联军向密支那发起总攻，很快肃清了外围阵地，攻入市区，随即开始与日军争夺每一所房屋和每一条街道。经过二十天的激战，终于肃清了残敌，占领了整个市区。水上源藏见大势已去，被迫自荆仅有少数残敌偷渡伊洛瓦底江，向八莫逃窜。密支那攻坚战历时八十天，中美联军浴血苦战，歼灭日军约三千人，自身伤亡约七千人。
胡康河谷和孟拱河谷的战斗，中国军队歼灭日军田中师团全部，及第五十三师团和第五十六师团各一部，共击毙日军两万多人，一雪两年前兵败缅甸的耻辱。廖耀湘在胜利后立即给蒋介石发电报，兴奋地写道：“此次敌重武器及军用车辆遗失之巨，人员死伤转于沟壑者之众，狼狈溃散惨状，有甚于两年前国军野人山之转进。追昔睹今，因此痛雪前耻，官兵大奋。”
中国驻印军攻克密支那后，乘雨季进行休整扩编，新编第一军扩编成两个军，孙立人指挥新编第一军，廖耀湘指挥新编第六军。新编第一军下辖李鸿的新编第三十八师和唐守治的新编第三十师；新编第六军下辖李涛的新编第二十二师、龙天武的新编第十四师和潘裕昆的第五十师。
当年10月，雨季将荆中国驻印军从密支那和孟拱分两路强渡伊洛瓦底江，展开反攻缅北的第二期战斗。孙立人率领新编第一军为东路，沿密支那向南八莫进攻；廖耀湘率领新编第六军为西路，从孟拱直取史维古，围攻中国云南、缅甸和泰国边境的日军，继而向东发展，协同新编第一军合围八莫的日军。
11月，侵华日军大举进犯国内独山，贵阳告急，廖耀湘军奉令空运回国增援，留下潘裕昆师编入新编第一军。同月上旬，李鸿师完成对八莫日军第二师团约一个联队的包围，经过一个多月攻坚战，攻克了日军号称至少能坚守三个月的八莫要塞，击毙日军守城司令官原三好大佐以下五千多人。
在李鸿师攻占八莫的同时，唐守治师绕过八莫，对南坎发动攻势，夺取了南坎西北的南开。十几天后，唐守治师前锋第九十团与北上增援八莫的日军遭遇，日军集中两个多联队的兵力强攻第九十团防守的高地，一天之内连续冲锋十五次，始终不能越雷池一步。第九十团乘势反击，日军丢下一千多具尸体和大量枪炮辎重，狼狈溃逃。
时间又进入新的一年，元月7日，孙立人军完成了对南坎的包围。15日，孙立人军各部队在坦克、炮兵和空军火力的支援下，对南坎日军发起猛烈攻击。据守南坎外围和城内的日军，虽然拼死抵抗，仍难阻止中国军队的攻击，死伤惨重。当天，唐守治师全部占领南坎。日军残部向南坎东北及东南方向溃退。第二天，唐守治师与日军在汤康和巴松附近对峙。
与此同时，李鸿师主力沿滇缅公路进击，同时派出一支部队从右侧山地向敌后挺进。几天后，李鸿师先后攻克了芒友外围的几个据点，并与滇西远征军第一一六师第三四八团取得联系，联合发起攻击，攻破芒友，滇缅公路就此全部打通。
同时，唐守治师攻取老龙。接着，李鸿师进占南巴卡。孙立人军继续猛进，经过二十多天的战斗，先后攻克弄树、般尼、河劳、桃笑、贵街、芒利等地。然后，这两个师合力攻占了腊戍。接下来，潘裕昆师占领了南图，唐守治师攻克了猛岩。缅北会战宣告胜利结束，中国驻印军完成了消灭缅北日军、打通中印公路的历史使命。随后，中国驻印军各部队相继奉调回国。
在历时两年的缅北会战中，中国驻印军全歼日军第十八师团和第五十六师团，重创日军第五十三师团、第二师团、第三十三师团和第四十九师团，共击毙日军三万三千多人，打伤日军七万五千多人，俘虏三百二十三人。缴获大炮一百八十六门、战车六十七辆和汽车五百五十二辆。中国驻印军伤亡一万七千人。
中国的机械化部队成全了那些狂热的日军官兵的一个心愿：“与缅甸的鲜花一起凋落。”