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3月21日，史迪威根据蒋介石的意图下达作战命令，其兵力部署是：
（1）第200师及第5军直属部队，及第6军暂编第55师主力，归杜军长指挥，担任同古方面作战，暂编第55师即由现地向飘背附近输送。
（2）第5军新编第22师即由曼德勒开赴东敦枝附近，归军直接指挥，准备支援卑谬方面作战。
（3）第6军方面，就现在部署，准备拒止由泰国方面来攻之敌；但毛奇方面，仍应依参谋团原定计划，派暂编第55师一部接替缅甸第13旅之防务，并在该方面确实占领要点、构筑工事，拒止来犯之敌，以掩护同古正面我军的左侧背。
（4）第96师为总预备队，即开赴曼德勒附近，归余直接指挥。
（5）余现在腊戍，今晚进驻眉苗（眉谬）。尔后一切报告均向眉苗及腊戍参谋团投送。
3月21日起，日军第5飞行集团连续轮番轰炸马圭英军空军基地，致使该地区英军空军基本上丧失了作战能力。日军夺取了缅南地区制空权后，中英联军几乎在毫无空军支援的条件下作战。
22日拂晓，日军第55师团第112联队，开始向守军鄂克春附近前进阵地攻击，受到守军坚强抗击，攻击受挫。23日，日军在炮兵、战车兵及航空兵支援下，集中力量再次发动猛攻。守军英勇奋战，顽强抗击，日军再次受挫。
3月24日，日军第112联队在正面进攻，第143联队从侧面迂回攻击，占领了同古城北克容冈机场。第200师后方联络线被切断，陷于三面被包围之势。
当夜9时，戴安澜在师指挥所召开各团长及直属营长会议，研究对策。
戴安澜说：“同古保卫战，到今天整整打了五天。日军步兵虽然被挡在外围，但敌人凭借强大炮火和制空权，将东吁城内炸得天翻地覆，瓦砾遍地。我们第一次在国外作战，地形不熟，联络不畅，加上天气酷热，饮水缺乏，战斗颇为艰难，伤亡不小。眼下，我后方联络线全被切断，陷于敌人三面包围之势。我们必须有天不怕、地不怕的大无畏气概，打出中国远征军的军威！一句话：准备死守，与同古城共存亡！”
戴安澜站起来目视在场军官，威严庄重地说：“余奉命固守同古，誓与该城共存亡。余战死，以副师长代理；副师长战死，参谋长代理。”
戴安澜表示了死战决心，各团长、营长们纷纷效仿，当众留言，指定自已的代理人。
会议决定，立即调整部署：紧缩正面，主动放弃鄂克春附近前进阵地，将主力集中到同古城内主阵地，加强工事，组织固守。为确保与军部联系，戴安澜率师指挥部移往城外山地，由师步兵指挥官兼598团团长郑庭笈指挥城内三个步兵团作战。
25日，日军第55师团发动全线攻击，突破城西北角。26日继续猛攻，激战竟日，守军第600团伤亡过大，撤出阵地，日军占领了铁路以西市区，守军仍坚守铁路以东主要市区。
当日，蒋介石致电参谋团及远征军：“侵缅之敌似有以主力向同古、曼德勒进攻之企图。我军目前应以第5军之第200师、新22师及军直，在同古、彬文那间与敌作第一次会战。如会战不利，应行持久抵抗，以逐次消耗敌人，务期在此期间迅速将第66军全部及第96、暂55师集中于曼德勒、柴泽间地区，俟第二次会战准备完成，以期一举击破深入之敌。”
第5军根据蒋介石指示，于当晚下达了转移攻势的命令：“军以击破当面敌人、收复仰光为目的，即以到达之部队施行反包围攻击，将敌压迫于喀巴温河右岸而歼灭之。”部署以第200师为固守兵团，固守同古城，吸引日军。以新编第22师配属骑、炮兵等为攻击兵团，预计28日开始攻击，在仰曼铁路以西地区，求当面敌之左翼而攻击之。
26日，日军飞机90架沿铁路轰炸，彬文那全城大火，车站被毁，中国增援部队受阻。日军乘汽车及徒步向南推进。27日，日军陆、空协同继续攻击东吁阵地，竟施放催泪性毒气弹。因守军防护得法，沉着应战，日军未能得逞。
当日夜间新编第22师遵命行动，全部到达南阳车站附近，28日拂晓向占领该车站的日军发动进攻。日军依托工事及高大建筑物死守，攻击进展缓慢。当日，日军第55师团在重炮兵和航空兵支援下猛攻同古，并施放糜烂性毒气。
守军第200师伤亡惨重，但仍坚强抵抗，阵地屹立不动。
与此同时，史迪威命令第5军集中主力于耶达谢附近，与第200师协同歼击进攻同古的日军；令第6军暂编第55师主力至彬文那集结，在该地构筑工事。
从新加坡调至缅甸的日军第56师团于3月24日抵达仰光，28日渡过锡当河沿东岸北进。当夜11时，该师团搜索联队袭击了阿列米扬附近高地上的第200师司令部，情况万分危急，担任警戒的第599团第3营与敌人拼死作战。
步兵指挥官郑庭笈急令第598**两个连火速驰援。激战至拂晓，虽将日军打退，保住了师指挥部，但日军乘机占领了同古东端锡当河大桥，切断师指挥部与同古城内守军的联系。
29日，日军以优势兵力在大炮、飞机联合支援下猛攻同古城。守军第200师陷于苦战中。第5军后续部队新22师，在同古以北约50公里的南阳车站，遭到日军阻击，进展迟缓。为速解同古守军第200师之危，第5军急调预备队第96师驰援。不料彬文那车站被日军轰炸，火车出轨，该师受阻，无法前进。
万般无奈，在杜聿明多次请求下，蒋介石权衡再三，终于发话：“撤就撤吧，要是把军队丢光，要滇缅路何用？”于是第5军决定放弃同古。
29日深夜，第200师主力遵命撤出了同古，在新编第22师接应下向耶达谢转移，留一部兵力在市区掩护撤退。30日凌晨，日军第56师团突破守军桥头堡阵地进至市区东端；第55师团仍在与市区掩护部队进行激战，始终未能突破守军阵地。第200师主力完全转移后，掩护部队也主动、安全地撤离同古。
至此同古防御战斗结束。
30日天亮，日军第55师团、第56师团集中炮火向同古城猛轰后，步兵发起冲击，这才发现守军第200师数千人已不翼而飞，而日军全力攻占的同古却是一座空城。
同古保卫战，是缅甸作战中，中英联军阵地防御战坚持时间最长的一次战斗，也是阵地防御战实施敌前撤退的一次成功的战例。
进攻同古的日军第55师团作战记录中说：“当前的敌人是重庆军第200师，其战斗意志始终旺盛。尤其担任撤退掩护任务的部队，直至最后仍固守阵地，拼死抵抗。虽说是敌人，也确实十分英勇，军司令官饭田中将及其部下对其勇敢均表示称赞。”