4月20日，西路军抵达琅勃拉邦市郊，与日军展开激战。参谋长陈明宇深知琅勃拉邦的防御坚固，正面进攻必然会付出巨大代价，因此决定先夺取湄公河沿岸的日军据点，切断日军的水上补给线。西路军的炮兵营迅速架设12门75mm山炮，对日军的河岸碉堡发起猛烈轰击，炮弹精准命中目标，将一座座碉堡炸得粉碎；第9团士兵在炮火掩护下，乘坐橡皮艇强渡湄公河，与日军在河岸展开肉搏战。日军的抵抗异常顽强，他们依托残存的工事，用重机枪疯狂扫射，不少兴南士兵在强渡过程中牺牲，但将士们毫无退缩，前赴后继地登上河岸，逐步夺取了日军的河岸防线。
4月22日，西路军对琅勃拉邦市区发起总攻。日军利用古寺的厚重墙体作为掩护，与西路军展开巷战。琅勃拉邦的街道狭窄曲折，两旁是鳞次栉比的木质房屋与石质佛塔，日军在屋顶、窗口、墙角都设置了火力点，每前进一米都要经过激烈争夺。西路军第10团团长王军亲自率领突击队，迂回至日军师部所在的香通寺，用炸药包炸开寺门，冲入寺内与日军展开近距离肉搏。香通寺内，佛塔与佛像旁，双方士兵刺刀相向，枪声、喊杀声、惨叫声交织在一起。经过三天三夜的惨烈厮杀，西路军终于攻克琅勃拉邦市，歼灭日军5000余人，击毙日军第33师团参谋长，日军残余部队向万象方向逃窜。西路军以伤亡1200余人的代价，成功摧毁了日军的指挥中枢，为中路军进攻万象创造了有利条件。
与东路军、西路军的顺利推进不同，中路军在进攻万象的过程中遭遇了日军的顽强抵抗。万象位于老挝中部，湄公河穿城而过，是老挝的首都与最大城市，也是日军在老挝的核心据点。日军在此部署了约1万人的兵力，配备20辆坦克、30门火炮和15架飞机，依托城市建筑与周边的山地工事，构建了严密的防御体系。4月25日，中路军抵达万象外围，向日军发起首次进攻，却在日军的炮火与空中支援下受挫，伤亡300余人，被迫撤退。
楚磊在前线指挥部看着战报，眉头紧锁。他意识到，万象的日军兵力雄厚，防御严密，且拥有空中支援，强行进攻只会徒增伤亡。“改变战术！”楚磊当机立断，“暂缓正面进攻，集中力量打击日军的补给线！”他下令中路军主力在万象外围构筑防御工事，牵制日军主力，同时从各团抽调精锐骨干，组建了10支游击小队，每队30人，配备冲锋枪、手榴弹、炸药包等轻便武器，潜入日军后方，开展袭扰作战。
这些游击小队如同利刃般插入日军腹地，在万象至琅勃拉邦、万象至丰沙里的公路沿线，频繁袭击日军的运输车队与补给仓库。5月5日，一支游击小队在万象以北的南俄河大桥附近设伏，成功击毁日军运输卡车10辆，缴获粮食5吨、弹药20箱；5月8日，另一支游击小队潜入日军位于万象市郊的弹药库，用炸药包将其炸毁，引发了连环爆炸，日军储存的大量炮弹、子弹化为灰烬；5月12日，游击小队在湄公河上拦截了日军的运输船，缴获燃油100吨，彻底切断了日军的水上补给线。
日军的补给线被切断后，处境日益艰难。粮食短缺导致士兵们只能以野菜、野果充饥，不少士兵患上了营养不良与疾病；弹药匮乏使得日军的火炮与机枪无法持续射击，防御火力大幅下降；空中支援也因燃油短缺而被迫中断，日军彻底陷入了孤立无援的境地。日军指挥官多次组织兵力，试图打通补给线，但都被中路军主力与游击小队联手击退，士气低落至极点。
5月20日，楚磊判定总攻时机已成熟，下令中路军发起全面进攻。拂晓时分，中路军的炮兵营率先开火，15门105mm榴弹炮对万象市区的日军工事展开地毯式轰炸，将日军的碉堡、战壕炸得支离破碎；第11团、第12团士兵在炮火掩护下，从东、南、北三个方向冲入市区，与日军展开最后的决战。此时的日军已无还手之力，士兵们饥肠辘辘、疲惫不堪，面对兴南军队的猛攻，纷纷丢弃武器投降，仅少数顽固分子仍在负隅顽抗。
在万象市中心的总统府（原老挝王国政府所在地，日军残余的500余名士兵死守不退，中路军士兵发起多次冲锋后，最终用炸药包炸开总统府大门，与日军展开肉搏战。经过两个小时的激战，总统府内的日军被全部肃清，万象宣告解放。
随着万象的解放，老挝境内的日军残余势力已无立足之地。东路军、西路军与中路军会师后，兵分多路，对老挝境内的零星日军据点展开清剿。至5月30日，老挝全境的日军被彻底肃清，老挝战役正式结束。
此战，镇南纵队第三师以伤亡5000余人的代价，共歼灭日军1.8万余人，其中击毙日军第33师团师团长以下军官600余人，俘虏1000余人；缴获坦克40辆、火炮60门、步枪2万支、轻机枪800挺、重机枪200挺、子弹300万发、飞机5架、军用卡车50辆，以及大量的粮食、燃油、药品等军用物资。兴南军队以较小的代价赢得了老挝战役的胜利，成功将老挝全境纳入兴南版图。
战役结束后，楚磊站在万象的湄公河畔，望着滔滔江水向东流去，心中感慨万千。老挝的解放，标志着兴南彻底控制了中南半岛北部的战略要地，与越南、缅甸连成一片，构建起了横跨中南半岛的战略防御圈。兴南随即在老挝成立了临时行政公署，由本地华人领袖与老挝爱国人士共同治理，兴南向老挝输送了大量的粮食、药品与生产物资，修复被战争破坏的公路、桥梁与港口，发展农业与工业，赢得了老挝民众的广泛支持。
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