继腾衝、松山攻陷后，龙陵是滇西日军的最后一个重要的堡垒，龙陵古名黑水笼，东汉永平十二年(公元69年)为哀牢县。东距松山70公里，北距腾衝约100公里，沿途山峦起伏地势险要。扼滇缅路要衝，其战略地位颇为重要。为日军在滇西与缅北的六大守备据点之一。一旦失去龙陵，日军在滇西事实上已无险可踞了。因而日军在龙陵周围的高地构筑了大量永久性坚固堡垒网群，在城内每一幢房屋都筑有堡垒，每堵砖墙上都有枪眼。日军准备在龙陵挡住远征军的西进，从而实现日军第33军的“将主力集结于芒市周围，在龙陵方面击灭云南远征军主力之后，前出到怒江一线，在援救腊猛、腾衝守备队的同时，切断印中联络”的“断作战”方案。
6月1日至3日，右翼攻击军第71军除以先头师新28师主力进攻腊勐、松山外，军主力（第87、第88师及新28师第84团）即自毕（寨渡）龙（陵）道南侧地区向龙陵攻击前进。第87师第260团于8日一举攻占大坝、镇安街，切断了松山日军的后路。第259团于9日攻占黄*坝后，即派1个加强营攻占龙川江上的腾龙桥，予以破坏，阻止腾衝的日军来援。第88师第264团一部袭占放马桥，切断芒市至龙陵的交通；主力攻占南天门、双坡至长岭岗各据点。8日，第263团攻占勐连坡。10日，第88师主力克广林坡、老东坡、3吹坡、三官坡，第264团乘势突入城区。第87师主力攻克文笔坡、老城、伏龙寺，围攻县政府。日军退守城内核心据点及西山坡、观音寺、文昌宫、东卡等据点。
此时，左翼攻击军第2军已由三江口渡过怒江，第76师正对平戛日军进行围攻。第9师于9日攻克象达，即令第226团附第9师1个营围攻平戛，第76师主力参加进攻龙陵的战斗，形势对第11集团军极为有利，但集团军总司令宋中将到达龙陵前线视察后，认为日军“工事坚固，决非步兵兵器所能摧毁，乃（且）因连日大雨，飞机既未输送弹药，又不能协力轰炸；兵站输力薄弱，亦不能及时追送粮弹”，因而没有令部队继续进攻；又因第20集团军此时尚在江苴街、东固街一线以东、以北，尚未对腾衝构成严重威胁，日军第56师团遂令在腾衝地区的第113联队迅速回援龙陵。该联队于6月11日从腾衝出发，13日在腾龙桥击退中国第87师第259团1个加强营后渡至龙川江南岸，在日军第56师团所派1个中队的接应下，15日开始，由邦乃沿腾龙公路向已占领龙陵西北高地的第87师发动猛攻。激战2日，第87师伤亡甚大，16日黄昏被日军突破阵地左翼，冲入龙陵。
宋希濂恐日军集中兵力先行击破第71军，“为谋整顿态势、先事站稳脚步，即令71军除以一部固守现有阵地外，主力暂转移镇安街以西坌田坝、赵家寨、5450高地及红木树之线；第2军除以一部连繫第71军左翼，固守邦武山、象达各阵地外，主力暂位置于小黑山、大硝河各高地之线，一面向松山、平戛之敌严行肃清，然后再以20集团军协力围攻龙陵”。
6月17日、18日，从芒市增援龙陵的日军永井支队（由师团参谋永井清雄指挥的第53师团第119联队第1大队的2个中队）及山崎支队（由野炮兵第56联队联队长山崎周一郎指挥的步兵、装甲车、野炮各1个中队），分别击退了第88师第264团，重占放马桥；击退了第9师所部，重占象达。龙陵形势对远征军反而趋于不利。
日军增援部队到达龙陵后，第56师团决定改取攻势，并将防守腾衝的第148联队的第3大队调至龙陵，令第113联队（步兵3个大队、装甲车1个中队）于6月21日黄昏沿滇缅公路向黄*坝攻击；同时令第2师团第29联队的第2大队（配属1个中队）于21日夜突破长岭岗南侧远征军阵地，向蚌渺攻击。经过激烈的反覆衝杀争夺，至27日，日军不仅毫无进展，而且象达亦于24日又为第9师夺回。
6月28日，远征军第8军到达增援，以荣1师配属第71军，转移攻势。第71军以第87、第88师及荣1师、第76师各1个团向龙陵外围日军发动进攻。战斗至7月6日，日军逐次退至龙陵城区及近郊，第71军乘势将战线推进至龙陵附近。由于远征军极需整补，于是暂停攻击，形成对峙。
8月10日，第11集团军各部队基本上已整补完毕，遂于14日发起进攻：以第71军附新39师进攻龙陵，以第2军进攻芒市。第71军方面首先以炮兵进行70分钟的炮火准备，尔后在14架战斗机、24架轰炸机直接支援下向当面日军发起猛攻。但日军工事坚固，火力猛烈，且多次实施反衝锋，致激战至夜仍无进展。16日再次发起攻击，17日终于攻占了三关坡据点。迄20日，先后又攻占青山等据点。至此，龙陵外围各据点又为第71军占领。日军困守西山坡、红土坡、伏龙寺、锅底塘坡及其以南高地待援；第2军进抵芒市东郊马鞍山至迴旋山之线。8月26日，芒市的日军第56师团又向龙陵增援反击，一部进攻象*塘、放马桥，其主力进至龙陵西北侧的太脑子坡，与荣1师激战数日，终被击退。日军第33军见其第56师团进攻受挫，于8月30日令第2师团参加龙陵解围作战