5月上旬時点での日本軍参加兵力は、第15軍の下記3個師団で計49,600人、その他軍直轄部隊など36,000人の総兵力約85,000人であった。7月までの総兵力は、約90000人と見られる。ただし、チンドウィン川を渡河したのは2/3の約60,000人に限られ、残りの人員は後方に残っていた。
インパール作戦には、イギリス支配下のインド独立運動を支援することによってインド内部を混乱させ、イギリスをはじめとする連合国軍の後方戦略をかく乱する目的が含まれていたことから、インド国民軍6,000人も作戦に投入された。
長距離の遠征作戦では後方からの補給が重要であるところ、当時の第15軍は自動車輜重23個中隊、駄馬輜重12個中隊の輜重戦力を持っており、その輸送力は損耗や稼働率の低下を考慮しなかった場合、57,000トンキロ程度であった。しかしながら実際に必要とされる補給量は第15軍全体において56万トンキロ程度と推計され、到底及ぶものではなかった。

連合軍は第14軍第4軍団（英印軍3個師団基幹）を中心に、約15万人がこの地域に配備されており、オード・ウィンゲート准将のコマンド旅団が、ビルマ地域の日本軍の脆弱な補給線の破壊活動の分析を行い、また、暗号解析などにより1944年2月頃までに日本軍が3方向より侵攻する攻撃計画の全容を把握していた。そこで第14軍司令官ウィリアム・スリム中将など連合軍司令部では、重火器装備を揃えた上で、空輸作戦による補給体制を確立する一方、英印軍部隊をインパールまで後退させつつ防御戦闘を行うことで後方兵站部隊の脆弱な日本軍を疲弊させ、その進出限界点（攻撃の限界点）であるインパール平原で一気に反攻に移る作戦を固めていた。
もっとも、ウィンゲート旅団参謀長だったデリク・タラク少将は、上記のインパールまでの後退が第14軍の作戦通りだったとする多数説には懐疑的である。タラクによれば、1944年2月末時点でも確固たる作戦計画がなかったのが実情だったという。
3月8日、第15軍隷下3個師団を主力とする日本軍は、予定通りインパール攻略作戦を開始した。日本軍は1個師団を要衝ディマプルとインパールの結節点であるコヒマに進撃させ、残りの2個師団が東、南東、南の3方向よりインパールを目指した。しかし作戦が順調であったのはごく初期のみで、ジャングル地帯での作戦は困難を極めた。 牟田口が補給不足打開として考案した、牛・山羊・羊・水牛に荷物を積んだ「駄牛中隊」を編成して共に行軍させ、必要に応じて糧食に転用しようと言ういわゆる「ジンギスカン作戦」は、頼みの家畜の半数がチンドウィン川渡河時に流されて水死、さらに行く手を阻むジャングルや急峻な地形により兵士が食べる前にさらに脱落し、たちまち破綻した。所々にある狭く急な坂では重砲などは分解し人力で運ぶ必要があり兵士らは消耗していった。また3万頭の家畜を引き連れ徒歩で行軍する日本軍は、進撃途上では空からの格好の標的であり、爆撃にさらされた家畜は荷物を持ったまま散り散りに逃げ惑ったため、多くの物資が散逸した。このため糧食・弾薬共に欠乏し、火力不足が深刻化、各師団とも前線に展開したころには戦闘力を大きく消耗する結果を招いた。物資が欠乏した各師団は相次いで補給を求めたが、牟田口の第15軍司令部は「これから送るから進撃せよ」「糧は敵に求めよ」と電文を返していたとされる。
連合軍は、この頃までに確保しつつあったビルマでの制空権を存分に活用して対応した。米英両軍のC-47を中心とする輸送機を動員して大量の人員や物資をインパールまで空輸したため、陸路で遮断されていたにもかかわらず補給線は辛うじて確保されていた。
第15師団は4月7日にインパールの北15kmのカングラトンビまで到達し、第33師団は5月20日にインパールの南15kmのレッドヒルまで到達したが、連合軍の激しい反撃を受けこれ以上の進撃はできなかった。雨季が始まり、補給線が伸びきる中で、空陸からイギリス軍の強力な反攻が始まると、前線では補給を断たれて飢える兵が続出。極度の飢えから駄馬や牽牛にまで手をつけるに至るも、死者・餓死者が大量に発生する事態に陥った。また、飢えや戦傷で衰弱した日本兵は、マラリアに感染する者が続出し、作戦続行が困難となった。機械化が立ち遅れて機動力が脆弱な日本軍には、年間降水量が9,000mmにも達するアラカン山系で雨季の戦闘行動は、著しい損耗を強いるものであった。しかし、牟田口は4月29日の天長節までにインパールを陥落させることにこだわった。
 

現状を正確に認識して、部隊の自壊を危惧した第31師団長・佐藤幸徳陸軍中将は、「作戦継続困難」と判断して、たびたび撤退を進言する。しかし、牟田口はこれを拒絶し、作戦継続を厳命した。そのため双方の対立は次第に激化し、5月末、ついに佐藤は部下を集めて次のように告げた。

1. 余は第三十一師団の将兵を救わんとする。

2. 余は第十五軍を救わんとする。

3. 軍は兵隊の骨までしゃぶる鬼畜と化しつつあり、即刻余の身をもって矯正せんとす。

さらに司令部に対しては「善戦敢闘六十日におよび人間に許されたる最大の忍耐を経てしかも刀折れ矢尽きたり。いずれの日にか再び来たって英霊に託びん。これを見て泣かざるものは人にあらず」（原文のふり仮名はカタカナ）と返電し、6月1日、兵力を補給集積地とされたウクルルまで退却、そこにも弾薬・食糧が全く無かったため、独断で更にフミネまで後退した。これは陸軍刑法第42条に反し、師団長と言う陸軍の要職にある者が、司令部の命に抗命した日本陸軍初の抗命事件である。これが牟田口の逆鱗に触れて師団長を更迭されたが、もとより佐藤は死刑を覚悟しており、軍法会議で第15軍司令部の作戦指導を糾弾するつもりであったと言う。また、第33師団長柳田元三陸軍中将が、同様の進言をするものの牟田口は拒絶。これもまた牟田口の逆鱗に触れ、第15師団長山内正文陸軍中将と共に、相次いで更迭される事態となった。天皇によって任命される親補職である師団長（中将）が、現場の一司令官（中将）によって罷免されることは、本来ならば有り得ない事であり、天皇の任免権を侵すものであったが、後日、この人事が問題となることはなかった。三師団長の更迭の結果、第15軍は最早組織としての体を成さない状況に陥った。

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7月3日、作戦中止が正式に決定。投入兵力8万6千人に対して、帰還時の兵力はわずか1万2千人に減少していた。しかし、実情は傷病者の撤収作業にあたると言え、戦闘部隊を消耗し実質的な戦力は皆無で、事実上の壊走だった。

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退却戦に入っても日本軍兵士達は飢えに苦しみ、陸と空からイギリス軍の攻撃を受け、衰弱してマラリアや赤痢に罹患した者は、次々と脱落していった。退却路に沿って延々と続く、蛆の湧いた餓死者の腐乱死体や、風雨に洗われた白骨が横たわるむごたらしい有様から「白骨街道」と呼ばれた。イギリス軍の機動兵力で後退路はしばしば寸断される中、力尽きた戦友の白骨が後続部隊の道しるべになることすらあった。伝染病にかかった餓死者の遺体や動けなくなった敗残兵は、集団感染を恐れたイギリス軍が、生死を問わずガソリンをかけて焼却した他、日本軍も動けなくなった兵士を安楽死させる“後尾収容班”が編成された。また負傷者の野戦収容所では治療が困難となっており、助かる見込みのない者に乾パンと手榴弾や小銃弾を渡して自決を迫り、出来ない者は射殺するなどしている。

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本作戦は７月１日に中止。
 

日本軍の作戦参加人数および損耗は明確な資料がなく明らかではないが、『陸戦史集』によれば、昭和19年5月中旬、当時の大本営参謀、徳永八郎中佐がビルマ方面軍戦況視察中、インダンギーの第15軍司令部を訪ねた時の死傷発生表を入手し、この表から逆算し、当時の参加兵力は第16師団15,804名、第31師団16,666名、第33師団17,068名、軍直属部隊36,000名、計86,538名である。その後インパール作戦に増強された人員を加算すれば、少なく見て9万人を超えると鑑定される。

大日本帝国陸軍の損害は、『戦史叢書』によれば、戦死者が第15軍の主力3個師団で計1万1,400人、戦病死者が7,800人、行方不明者1,100人以上（計20,300人以上）にのぼり、そのほか第15師団だけで3,700人の戦病者が発生した。

第33師団においては、田中師団長の6月30日の日記には、第33師団の戦死傷7,000、戦病5,000、計12,000名と記され、すなわち師団兵力の70％を失っていた。インド国民軍も、参加兵力6,000人のうち、チンドウィン川まで到達できたのは2,600人（要入院患者2,000人）で、その後に戦死400人、餓死および戦病死1,500人の損害を受けて壊滅した。また、イギリス軍のスリムは、日本軍の兵力11万5,000人、戦死者6万5,000人としている。

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8月30日、牟田口軍司令官と河辺方面軍司令官はそろって解任され、東京へ呼び戻された。インパール作戦の失敗後、大日本帝国陸軍はビルマ方面軍の高級指揮官・参謀長らの敗戦責任を問い、そのほとんどを更迭した。牟田口第15軍司令官も軍司令官を解任され、予備役に編入される懲罰人事を受けた。

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