这时连降大雨，给空中补给和老百姓的骡马运输造成很大困难。远征军渡江以来所消耗的弹药，未能及时补充，剩下的弹药已不足以作战。粮食也吃光了，战士们用芭蕉根和山芋充饥。龙陵日军趁机反扑，宋希濂命令第八十八师放弃龙陵附近的阵地，向东北撤退十二公里，到达第八十七师的阵地，第一次进攻龙陵失利。
松山佑三迅速抽调腾冲兵力两千多人和芒市兵力一千多人，火速驰援龙陵。双方在黄坝和香菇岭等地激战，远征军调李弥军荣誉第一师及新编第三十九师赶到，才转入反击。此后，远征军各部向前推进，占领了龙陵附近的日军各个据点。
8月14日，远征军向龙陵发起第二次进攻，三十四架飞机和炮兵对龙陵轰炸，步兵发起猛攻。日军荻尾少佐在轰炸中毙命。这次进攻，龙陵县城东南的老东坡打得最为激烈。日军在老东坡有二十多个堡垒，构筑十分坚固。日军使用爆炸性、燃烧性和糜烂性的十多种近距离攻击武器进行反击。经过六个日夜的恶战，远征军冲锋十六次，终于将老东坡的日军消灭。新编第二十八师约有八百名官兵阵亡。远征军攻占日军阵地后，发现日军遗尸四百多具。
9月初，两千多名日军从芒市向龙陵扑来，各据点又先后沦入日军手中。远征军急调后援部队增援龙陵，稳定战场形势。此后，大垴子坡和南厂又遭到一千多名日军的进攻，两地相继失守。上旬，第五军高吉人的第二百师从昆明赶来增援，阙汉骞军第三十六师从腾冲南下龙陵，经过三天三夜血战，才将原有阵地一一夺回。
当日军在龙陵向远征军大举进攻时，松山和腾冲两个战略要地已被克复，日军对缅北采取守势、对滇西采取攻势的“断作战”计划已经失去意义，本多政材含泪终止原定方案，下令各部停止进攻。
10月29日，中国远征军各部在炮兵和空军协同配合下，向龙陵发起第三次总攻。11月1日，各攻击部队向中央合围，在三百门大炮和美国空军协同下，一举攻占日军在城中的核心据点观音寺。第二天，占据了城西制高点，日军残部在远征军三面合围下沿滇缅公路向芒市溃逃。远征军收复了龙陵。
黄杰在评述龙陵战役时写道：“此役我曾经过三次攻略，敌亦曾经过两次增援反攻，为全战役中时间最长、兵力最多、战斗最惨烈之会战。计敌共死伤一万零六百二十名，我军共死伤二万八千三百八十四名，约一与二点七之比。”
新年的第二十七天，中国远征军、驻印军和盟军的欢呼声汇成一片，三支队伍在芒市会师。
滇西战役打了八个月又十六天，全歼日军松山师团，部分歼灭日军第二师团和第五十三师团，日军二万一千零五十七人死伤和被俘。中国军队出动七个军十四个师和其他特种独立团共十六万多人，伤亡、失踪共六万七千四百六十三人。日军与远征军的伤亡比例是一比三。
1月28日，中国远征军和中国驻印军经过中印公路旁的小镇苗斯，在这里举行了会师典礼。中国远征军在通往祖国的路上竖起白布横幅：“欢迎驻印新军凯旋回国!”在旗杆下面，卫立煌和索尔登各说了一句话，令盟军振奋，令日本人胆寒。
卫立煌说：“今天是会师东京的开始。”
索尔登说：“到东京会师去，让两国的国旗飘扬在东京上空。”
他们的讲话被官兵们的呐喊淹没。典礼结束，中国远征军启程回国。中国驻印军为确保中印公路的安全，返身攻打腊戌。三年来，滇缅战争令世界注目，这时终于划上了句号。