由於緬甸戰事吃緊，英國又急著要遠征軍入緬參戰。1942年2月16日，蔣中正下令先運送第5軍入緬，以第200師為先頭部隊。3月7日，200師到達同古。3月19日，同古戰役爆發，200師在同古防禦日本帝國陸軍55師進攻；由於緬甸交通線不斷遭到日軍的狂轟濫炸，第五軍其餘部隊無法及時在同古集結，新22師在同古周圍遭到日軍阻擊，因此同古城內只有200師勉力抵擋日軍攻勢。經過11天的血戰後，日軍遭擊退；但是200師與新22師都受創甚重。在內缺糧彈、外無援兵，還面對敵軍包圍的危機；杜聿明審時度勢，下令200師於3月29日晚從同古以東突圍。3月30日，日軍進城。

由於仰光遭日軍佔領、英軍一潰千里，遠征軍的戰略防衛目標已經消失，只好開始逐步後撤回雲南國境。但是氣勢正虹的日軍亦一路追擊，使得遠征軍在同古之後繼續準備打阻擊戰；原本中國遠征軍打算在平滿納迎擊日軍，然而緬甸西邊的英軍一瀉千里的後撤；讓南下迎戰的遠征軍右翼戰場毫無防備。遠征軍的左翼、緬東部分也因兵力不足無法抵禦日軍攻勢，第五軍一度面臨遭到三面包抄的困境。在盟軍戰力不足下，1942年4月18日凌晨，史迪威和羅卓英不得不下令放棄平滿納戰役的構想。

4月14日凌晨，英緬軍總司令亞歷山大急電中國遠征軍司令長官部，請求解救被包圍在仁安羌的英軍。4月19日下午5時，在新38師師長孫立人、副師長齊學啟和113團團長劉放吾的帶領下收復了仁安羌油田，解救了英軍7000多人和被日軍俘虜的英緬軍官兵、美國傳教士和新聞記者等500多人。消息傳出，中、英、美三國轟動。

4月24日，在日軍猛烈攻勢之下，第6軍被迫放棄雷烈姆，日軍隨後從雷烈姆北進，因此時防守棠吉已無意義，第200師遂於4月26日主動放棄棠吉。4月29日拂曉，日軍猛攻臘戍，第66軍傷亡慘重，當天中午，日軍占領臘戌，第66軍各部退守新維。

第6軍於4月24日被迫放棄雷列姆之後，且打且退，5月12日，退到薩爾溫江東面，隨後撤回國內。

第5軍軍部和所屬的新22師、第96師主力於4月26日黃昏由皎克西乘汽車、火車向曼德勒轉移，於當天夜間十時全部到達。5月1日全部撤至伊洛瓦底江以西以北地區，此後第五軍直屬部隊、第200師、第96師、第66軍的新38師徒步輪流掩護撤退。5月8日上午，日軍攻占密支那，杜聿明按蔣中正7日的命令向國內撤退。5月9日，由於在傑沙（又譯為卡薩）發現日軍，並且新38師先到傑沙掩護的只有一個團，而新38師、新22師主力至少需要一天半才可以從前線撤下，杜聿明認為日軍有可能從南北包圍將遠征軍殲滅，從而下令第93師在右翼掩護，並且在孟拱附近占領掩護陣地，同時命令各部隊分路回國，自尋生路。

新38師師長孫立人沒有聽從杜聿明的命令，向西撤往了印度。新38師是第一次遠征結束之後唯一一支保存建制的部隊。

杜聿明率領第5軍直屬部隊和新22師，離開密瓦公路改道向西北方向追去，轉打洛到新平陽，迷路的遠征軍在森林裡轉來轉去，很多人因為飢餓、疾病死去，還有一些人因為忍受不了折磨而自殺。後來，一架美國飛機在野人山上空發現了這支軍隊，盟軍隨後空投了電台、糧食、藥品，使得這支軍隊終於走出了野人山，由於預定回國路線所經的中緬國境已有大量日軍把守，這隻部隊最後還是改道去了印度。

第200師至棠吉，以後沿途突破敵人的封鎖線，經南盤江、梅苗、南坎以西回國。5月18日，第200師分兵兩路通過細抹公路，前衛部隊突然遭到伏擊。激戰一天，第二百師傷亡過半，終於成功從東面山坡將日軍陣地撕開一條缺口，部隊突圍而出，官兵得以死裡逃生。戴安瀾在突圍時被兩顆機槍子彈擊中胸部和腹部。5月26日，戴安瀾將軍逝世。

第96師及炮工兵各一部經孟拱、孟關、葡萄、高黎貢山回國。

據戰後統計，穿越野人山的部隊有3萬餘人葬身原始森林，其中第5軍新編第22師野戰醫院的護士劉桂英更是做為唯一走出野人山的女兵而聞名。

第一次遠征失敗之後，滇緬公路中斷，10萬遠征軍經血戰只有4萬餘人安全撤離。日本既封鎖了國際援華運輸線，又打開了西攻印度的大門。原有的作戰物資轉而通過駝峰航線與中印公路輸送。

1942年7月15日，新38師由因帕爾開往比哈爾邦藍姆伽，8月初，從緬北野人山脫險入印的的第5軍新22師和軍直屬部隊也來到了藍姆伽。根據中美協議，遠征軍第一路司令長官部撤銷，改稱為中國駐印軍總指揮部。史迪威為總指揮，羅卓英為副總指揮。同時，國民政府利用駝峰空運飛機回航的機會，每天空運幾百名士兵到印度，以補充兵源。1942年底，由於史迪威與羅卓英矛盾不可調和，蔣中正被迫將羅卓英調回國內，經過反覆考慮，決定派第8軍軍長鄭洞國中將接替羅卓英的職務。同時決定在駐印軍指揮部下設新編第一軍建制，下轄新38師、新22師。鄭洞國任軍長，孫立人為副軍長兼新38師師長，廖耀湘為新22師師長。3月中旬，鄭洞國率軍部人員來到藍姆伽，正式成立新一軍。

1942年底至1944年春，新30師兵員陸陸續續空運到印度，新30師編入新一軍序列。1944年上半年，第14師與第50師的兵員也空運到了印度。中國駐印軍在藍姆伽換裝了美式裝備，有美國的軍事援助和充足的糧食，軍事訓練十分紮實。經過一年的整訓，練就了叢林訓練和叢林生存的過硬本領。再加上同時大批知識青年在蔣中正「一寸山河一寸血，十萬青年十萬軍」的號召，踴躍參軍，士兵的素質有了大大的提高，這兩點使得駐印軍的戰鬥力大為提高。

1942年6月，怒江防線穩定之後，國民政府積極訓練軍隊，準備反攻緬甸。1943年2月1日，蔣中正任命陳誠為中國遠征軍司令長官，3月28日，中國遠征軍司令長官部在雲南楚雄成立。陳誠從重慶飛到楚雄就任，著手進行遠征軍部隊的訓練和反攻計劃的制定。1943年8月，遠征軍的5個軍編練和裝備基本完成。後調來的第54軍也在11月完成改編。其中，第11集團軍下轄第2、第6、第71軍和第200師。第20集團軍轄第53、第54軍共4個師。另外第八軍和第93師直屬遠征軍司令長官部。1943年冬，陳誠因病辭職，衛立煌接任遠征軍司令。

1943年3月，新38師的114團即先行開進野人山區，掩護中美部隊修築自印度列多到野人山區的中印公路。1943年10月下旬，雨季停止，在列多的新22師和新38師主力乘車到達胡康河谷邊緣，駐印軍緬北反攻戰正式開始。

在駐印軍反攻初具成果之後，國內滇西的中國遠征軍反攻開始。1944年5月11日第20集團軍於雨季強渡怒江，於6月底血戰至騰衝附近。經過3個月的戰鬥，於9月14日解放騰衝。第11集團軍於6月1日渡江，新28師於4日攻克臘猛，進圍松山，由於日軍工事齊全並占有地利，該師五攻未克，損失慘重。7月1日攻堅行動改由第8軍接手，該軍以三個師輪換進攻，連續九次，到9月7日方破敵陣，全殲守敵。遠征軍經過血戰，於11月3日攻克龍陵，20日攻克芒市，12月1日攻克遮放，1945年1月19日克復畹町。1月22日中午第53軍第116師與新一軍一部在木遮相會，旋以鉗形攻勢向芒友推進，

1945年1月15日，新一軍攻克南坎，並繼續前進，於1月27日畹町附近的芒友與雲南西進的中國遠征軍會師。1月28日中印公路通車典禮在畹町城舉行。會師後，滇西遠征軍回國，新一軍與第50師南下，新一軍先後拿下了新維、臘戌，第50師先後攻克了南渡、西保、南燕、皎麥等市鎮，新50師自從1944年渡過伊洛瓦底江以來，在三個多月的時間裡，挺進600公里，斃傷日軍3500餘人。3月30日，中國遠征軍攻克喬梅，與英軍勝利會師。隨後中國駐印軍凱旋迴國。至此，中國駐印軍與中國遠征軍的任務順利完成。

第二次入緬作戰，中國駐印軍傷亡1.8萬餘人，殲滅日軍4.8萬餘人，收復緬甸土地約13萬平方公里。滇西中國遠征軍傷亡67403人，殲滅日軍21057人，解放滇西全部土地約3.8萬平方公里。中國遠征軍完成了中國戰略大反攻的全面勝利。

歷史影響：

由於抗日戰爭時期，緬甸戰場是中國和太平洋兩大抗日主戰場的戰略結合地帶，又是東南亞地區戰場的主要作戰地區。中國軍隊兩次進入緬甸，展開對日作戰。不僅有力地支援了盟軍在中、印、緬戰場的對日作戰，打通了中國西南國際運輸線，提高了中國正面戰場的正能量，加速了日本法西斯的崩潰，而且打擊了日軍的囂張氣焰，大長了民族自尊心和自豪感。

其中孫立人將軍指揮新三十八師，在遠征緬甸，協同盟軍抗擊日本的戰鬥中，屢克強敵，戰功卓著，其運用的戰術、顯示的戰力備受國內外各方肯定，有「東方隆美爾」之譽；而被打敗的日軍在緬甸戰後史料上，尊稱他為「中國軍神」。

1945年5月，孫立人率新一軍返抵廣西南寧，準備反攻廣州。同月，應歐洲盟軍最高司令艾森豪威爾之邀，孫立人赴歐考察歐洲戰場，是中國唯一被邀請的高級軍官。8月15日，侵華日軍投降。9月7日，新一軍進入廣州，接受日軍第二十三軍投降，並建造新一軍印緬抗日陣亡將士公墓。嗣後，新一軍進行了休整和擴充，成為國軍五大主力之一，號稱「藍鷹部隊」、「天下第一軍」。