中美联合突击队占领密支那机场后，日军急忙自滇西和八莫调派部队向密支那增援，使该地日军达到约2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第14师的第41、42团、新30师的第89、90团、第50师的149团。
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。随着缅滇雨季的到来，战斗更加艰苦。7月以后，孟拱、加迈之敌已被歼灭，密支那成为一座孤城。
但是，日军指挥官水上源藏少将按照第33军军长本多政材"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，以第50师、新30师和美军拉加哈德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，随即开始与日军逐个房屋、逐条街道地进行艰苦争夺。经过20天的激战，终于在8月3日肃清了密支那的残敌，占领了整个市区。
日军城防司令官水上源藏见大势已去，被迫自尽。仅有少数残敌偷渡伊洛瓦底江，向八莫逃窜。在这场历时80天的密支那攻坚战中，中美联军浴血苦