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。