1944年8月7日，腾冲城外的各种美式大口径火炮开始对着城墙猛轰，火炮旁的空炮弹筒堆积如山，陈纳德的飞机一架接着一架向4平方公里的腾冲城投掷炸弹。腾冲城燃起了冲天大火，能够燃烧的东西全在燃烧，能够炸碎的东西全部被炸碎。
20集团军司令部参谋谭延煦回忆说，腾冲城遭到了长达42天的攻击。这座石头城墙上布满了由炮火造成的密集枪眼，炮兵们专门针对这些枪眼进行了猛烈的炮击，使得城墙上的缺口越来越大。
在激战中，他们一天内连发了3000发炮弹，同时得到了飞虎队60架飞机的空中支援。
大约在午后时分，城墙的南面被炸出了几个缺口，远征军士兵们手持刺刀，齐声高呼着冲向这些缺口。一队日军守卫冲出来试图阻止像潮水般的远征军，但最终被远征军击倒并踩成了肉泥。随后，日军见城墙被攻破，急忙撤退到掩体中。
接下来的巷战更为惨烈。日军在占领腾冲两年期间，城内修筑了无数的明堡和暗堡，每栋房屋下都建有射击孔和暗道，形成了四通八达、密如蛛网的地道系统。
这些射击孔仅有砖头大小，远征军在搜索过程中难以察觉它们的存在。日军总是等远征军进入射击区域后，才从多个射击孔中同时开火。一旦某个射击孔被摧毁，他们就通过地道转移到下一个射击孔，继续进行阻击。
远征军只能逐巷逐屋地缓慢推进，付出巨大的牺牲，每天仅能前进几米。
到了8月13日，飞虎队的24架飞机继续对腾冲进行轰炸。日军指挥官、第148联队联队长藏重康美大佐在东门门洞里全神贯注地指挥着战斗，他身边是32名大小指挥官。
飞虎队的炮弹像冰雹一样落在东门上方，将用条石垒成的东门炸塌。藏重康美大佐未能及时反应，被数百块重石压扁，32名死忠下属也跟随他一同走上了黄泉路。
藏重康美死后被追授少将军衔。太田正人大尉继任指挥官，继续组织日军进行抵抗。在藏重康美去世后，日军在腾冲城内又抵抗了一个月。
远征军像挖老鼠洞一样，一间房屋接一间房屋进行清理，火焰喷射器在这个过程中再次发挥了极其重要的作用。
吉野孝公在《腾冲玉碎记》中描述了战场的恐怖景象：“士兵从战壕中跳出，全身被火焰包裹，像火人一样乱窜，身体在不到十秒钟内就被烧尽。城内到处是这样的尸体和残骸，形成了一片火焰地狱的景象。战争的恐怖，尤其是那些残忍至极的武器。”
到了9月13日，大雨如注。包括吉野孝公在内的残余日军被压缩在李家巷的几处民宅内。
谭延煦提到，由于攻城部队伤亡过重，已经无法再组织攻击，因此司令部决定进入腾冲城。此前在围攻来凤山中伤亡惨重的预备第二师也被派入腾冲城，接替攻城任务。
王理寰在《卫立煌率师反攻滇西》中写道：“每攻取一面墙或一个院落，都需要先用炸药进行爆破，将墙垣和房屋炸毁，否则无法前进……腾冲城的收复，每一尺墙，每一间房，每一个院落都是官兵用血和生命换来的。”
由于日军在腾冲城下方挖掘了广泛的地道系统，尽管地面上的阵地只剩下了李家巷的几座院子，但日军的狙击手仍然通过这些地道在不同地点进行顽抗。
那一天，预备第二师第5团的团长李颐正准备爬上竹梯侦察这些院子里的敌情，却被藏匿在暗处的日军狙击手开枪击中头部，不幸牺牲。覃子斌和李颐成为了远征军在攻打高黎贡山和腾冲战斗中阵亡的最高级别指挥官。
同一天，接替藏重康美的太田正人大尉下令焚毁第148联队的军旗，并在向上级发送了最后战况的电报后，破坏了无线电台。此前他曾请求第56师团允许他带领部队突围，但被拒绝，最终只能选择与全体士兵一同玉碎。
老兵董觉民在他的《腾冲歼敌记》中写道：“腾冲城内，已无一间完好的房屋，到处是断垣残壁。敌人仍在利用这些断壁构筑工事，企图顽抗到底。我军曾多次喊话‘缴枪不杀’，但未能奏效。于是我们使用战防炮和平射炮，摧毁所有的墙壁，许多敌人被埋在墙土之下。经过一整夜的巷战后，残余的日军被迫集结在城南约200米范围的地区。当我们再次喊话‘缴枪不杀’时，穷途末路的日军只能乖乖立起白旗，53名日军低头跪地投降。”
谭延煦来到战后的腾冲，看到了满目疮痍的惨景，空气中弥漫着死尸腐烂的恶臭。
那是9月中旬，炙热的空气在腾冲城中挥散不去，远处高黎贡山阻挡了来自北方的凉爽气流。
在腾冲城中，只有孔庙还矗立着，其余建筑都已被夷为平地。孔庙的木柱和门窗上布满了像蜂巢一样的弹孔。城内没有一颗完整的树，所有树木都被弹片削断，地面的青草也被硝烟熏干。
这个曾经以翡翠贸易闻名、富甲一方的滇西小城腾冲，在战前的繁荣程度令人难以想象。这个“马帮驮来的翡翠城”，曾经集散并加工了全世界90%的翡翠。据说，这里聚集的巨贾和富商甚至比上海还要多。
然而，两年前日军的入侵和随后长达42天的战争，将这座滇西小城的繁华化为了过眼云烟，每一幢建筑、每一个生命都遭受了前所未有、彻底的毁灭。
此役，中国军队伤亡官兵18000余名，而阵亡就高达9000名，日军被歼灭2800名，沦陷了两年四个月零四天的腾冲光复了。