按照第20集团军总部的决定，攻城以先集中优势兵力，重点由城南向城北推进。8月13日，预2师按照集团军的部署，与198师、36师、116师一道，由城南方向强行下城，开始攻坚。8月20日，预2师在空军的协作下，率先攻入城内，逐屋逐巷地与敌拼杀，步步为营地向城内推进。在我攻城部队的全面合围下，历经45天的浴血战斗，至9月14日上午，我军全面克服腾冲。

腾冲攻坚大战惨烈异常。战斗结束后，城内已是片瓦无存，满目疮痍，全城俱毁。我以伤亡官兵18309名的沉重代价取得最终胜利。其中，预2师计有第5团团长李颐以下2198名官兵为国捐躯。

与着名的松山攻坚大战一样，腾冲攻坚大战也是我国抗战史上为数不多的全歼日军的着名战斗(日本天皇称所谓“玉碎之战”)。战斗结束后，美英两国元首都向中国最高统帅蒋介石致电祝贺。

预2师这支从贵州山区走出来的部队，构成部队主体的初级军官和广大士兵，都是山区贫苦农民或在校学生。出黔之初，几乎没有经过基本训练，甚至在开赴前线后，才得到装备。因此，人们小视这支部队，怀疑他们的战斗力，当是情理之中的事。但是，这些走出大山的贫苦山民和热血青年们，在国家危亡之时却能够挺身而出，勇赴国难。挚朴的信念激励着他们誓为国死，高昂的斗志驱使他们在战争中学习，在战斗中成长。不少入在实战的锤炼中成长为合格的军人，骁勇的战士。也有不少人凭着令人心服口服的战绩而得到上级的信任，被委以重任，成为骨干。

在整个滇西抗战中，预2师先后参加了敌占区游击、主攻来凤山、腾冲攻坚大战，继而又参加攻克龙陵、收复畹町等着名战斗，最终与中国驻印军会师猛友。在长达两年半艰苦岁月的战斗中，无论是游击抗敌，亦或是临危攻坚，这支部队都不惧艰险，不避牺牲，前赴后继地与敌人血战。他们连续作战，甚至疲劳作战，无论条件如何艰难，也不论战况如何凶险，部队始终保持严密的纪律和钢铁般的斗志。并在战斗中越战越勇，越战越强。在付出重大牺牲的同时，终以辉煌的战绩，成为劲旅林立的远征军中享誉盛名的英雄部队，也成为在滇西抗战中战功卓着的一支抗日劲旅。