1944年6月上旬，在中国远征军分路进击松山、腾冲的同时，负责右翼攻击任务的第11集团军即从第2军和第71军中抽出精锐部队，共同组成突击队，绕过松山侧翼直插龙陵，开始了艰苦卓绝的龙陵之战。
6月6日远征军兵分三路向驻守龙陵县城一线的日军发起了猛烈进攻，经过两个昼夜的激战，截断了龙陵与芒市之间的公路联系，并肃清了龙陵城外大部分据点中的据守之敌。
6月8日晨，第71军87、88两师主力部队开始向日军重兵防御的龙陵东南郊敌阵进击，力图抢占猛岭坡，日军也拚死抢夺被远征军攻占的阵地，异常激烈的战斗打成了拉锯战，猛岭坡阵地9次易主，第88师263团最终以团长傅碧人负重伤、全团官兵伤亡500多人为代价，直到下午5时才将该阵地完全攻克。此后两天中，远征军将士在猛岭坡大捷的鼓舞下，分路向龙陵城外的日军发起猛攻，87师攻克赧场、大坝、文笔坡和龙陵老城，克复龙陵以东的公路要点;88师攻克广林坡、老东坡、风吹坡、三关坡;新33师攻克云龙寺。
到6月10日，龙陵城郊的所有高地都被远征军克复，三个师的雄兵对城内日寇重重围困，攻城在即，残余日军只得退回到城内坚固工事中负隅顽抗。
眼看在龙陵苦心经营的核心据点即将失守，外围日军立即组织大股力量增援，一心解龙陵之围。
6月13日，正当远征军着手攻打龙陵县城之际，驻守腾冲的2000多名日军南进驰援龙陵，驻守芒市的1000多名日军也沿滇缅公路北上，驻守象滚塘的500多名日军也急速东进龙陵，同远征军发生了激战。在日军精锐部队大军压境的情况下，远征军第71军主力部队被敌军从中截断，腹背受敌的87师伤亡惨重、险遭覆没。迫于情势，远征军只得于16日退回到城郊一线，保存实力准备再战，远征军首攻龙陵因此功败垂成。
从6月16日夜起，驻守在龙陵县城附近各据点中的5000多名日军经常在坦克的掩护下，沿滇缅公路两侧向远征军发起突袭，双方伤亡都十分惨重。7月13日，第71军又集结了87师、88师、荣誉1师、新28师、新39师五个师的30000兵力，从东、北、南三面向龙陵县城一带的日军据点发起第二次围攻，再度占领了赧场、长岭岗、猛岭坡、广林坡、三关坡等日军阵地，控制了龙陵至芒市、腾冲的公路。
但因松山尚未克复，各类军需物资无法通过滇缅公路运抵军中，造成围攻龙陵的部队给养困难，且日军为了尽快打通芒市至龙陵的公路，向龙陵增派了第56师团、第2师团主力15000多人，向远征军发动了疯狂反扑，在敌人炮火的猛烈攻击下，驻守龙陵城外的新39师所剩官兵不到百人，新37师也遭受重创，其死守阵地的117团3营将士全部殉国，不少阵地重新陷落敌手。因将士伤亡惨重，远征军只得于9月10日再度退回到龙陵城北近10公里的赧场一带堵击，第二次进击龙陵宣告失败。
9月中旬，中国远征军围攻松山、腾冲的战斗都取得了全面胜利，左、右两翼主力部队相继汇聚龙陵。时逢8月22日，蒋介石将宋希濂调离龙陵到重庆受训，原因是蒋介石在重庆已发布龙陵光复的新闻，结果残敌尚未肃清。宋希濂职务由副总司令黄杰将军代理，远征军对围攻龙陵的战略进行了调整，一面进袭龙陵至芒市之间的交通阵地防止敌兵增援，一面集中了10个师的强大兵力，于10月29日向龙陵城区发动了第三次总攻。
经过为期5天的激烈战斗，终于在11月3日将据守龙陵的日军大部歼灭，夺回了龙陵这个至关重要的战略要塞。紧接其后，远征军派出第88师沿途追剿向芒市方向逃窜的残敌，连续攻克团坡、张金坡、南天门、放马桥一线的日军阵地，到了11月11日，龙陵全境均回到了中国人民手中。
“三战龙陵”战役，系整个滇西反攻战中规模最大、耗时最长的要塞争夺战。在长达4个多月的战斗中，中国远征军先后投入了11.5万人兵力，经过三次拉锯争夺，历经大小战斗数百次，共歼灭日军1万多人(除400余名残敌突围后溃逃芒市外，其余被全歼)，而中国远征军为此付出的伤亡代价则为29803人。龙陵战役是滇西反攻作战中，耗时最长，牺牲最大的攻坚战，但也是滇缅抗战中歼灭日军最多的战役。
根据国民政府1945年12月《滇西战役统计表》及《抗日战争期间滇西损失统计》报告：滇西抗日反攻战役中，我军共投入兵力16个师16.2万人，其中，龙陵为12个师11.5万人，占71%。全役历经236天，其中，龙陵156天。全役我军伤亡官兵50474人，其中，龙陵伤亡29803人，占59%。全役毙敌25393人，其中，龙陵13200人，占52%。全役损失折关金币73941996万元，其中，龙陵损失67711768万元，占91.59%。
克复龙陵后，日军赖以盘踞滇西的强固阵地均被扫除，日本侵略者被驱赶到了芒市一线(今德宏州境内)的一马平川之地，自此再无险可守。