2月7日晚，美军在费卢杰城北和城西集结完毕，由坦克和装甲车组成的地面突击群开始向费卢杰北郊和西郊推进。
8日凌晨，英国部队占领了位于幼发拉底河西岸的费卢杰总医院，美军则在凌晨的进攻中控制了2座重要桥梁，掌握了费卢杰西面的交通枢纽。美军之所以急于占领费卢杰总医院，是吸取了以前攻打巴士拉的教训。在上次美军攻打巴士拉期间，当地医院不断发布平民死伤的消息，最终迫使美军停止行动。此次作战中，美英联军首先占领和封锁“消息源”。
8日晚，代号“幻影愤怒”的军事行动正式开始。在城北的主攻方向上，美军使用了6个营的兵力（4个海军陆战队营、1个陆军骑兵营和1个陆军步兵营），运用两翼突破（攻击西北角的居兰区和东北角的阿斯卡里区）、纵深攻击（中路攻击火车站）的战法。美军2个营的装甲车队率先突入居兰区，顺利占领城西阵地。同时，美军1个营也突入阿斯卡里区。中路美军步兵则在坦克伴随下，向城北的火车站发起冲击，作战进展顺利。
9日，美军继续缩小对费卢杰的包围，并从城西部的居兰区和中部的穆阿莱明区向市中心推进。在推进过程中，美军与伊拉克武装在费卢杰西北部的戈兰地区发生激烈巷战，抵抗武装使用迫击炮、重机枪和火箭筒等武器，与美伊联军逐条街巷、逐栋房屋地展开游击战。而美英联军则凭借精良装备和强大火力稳步推进。到2月10日，美英联军控制70％城区。
11日，美军基本控制居兰区，并将该区的治安管理权转交给其他国家的安全部队。但美军在向费卢杰市中心推进的过程中，遭到伊拉克武装人员从各个角落用迫击炮和步枪的持续袭击。美军狙击手也占据各建筑物制高点进行还击，并用无人侦察机搜索反美武装的狙击手。
在8日～11日的巷战中，美军在白天用坦克和装甲车将反美武装分割包围，使其无法联络配合，晚上则依靠先进的夜战武器展开“夜袭”。另外，为了减少伤亡，美军通常先用空中火力摧毁进攻路线上的反美武装据点，再用炮兵和装甲兵掩护步兵快速推进，清除残存火力点。野战炮兵通过“直瞄射击”，把躲在建筑物内的伊拉克武装人员赶出来，再由狙击手将其消灭。航空兵与地面部队的密切协同作战，极大地提高了作战效率。
12日晚，费卢杰城中大规模聚集的伊拉克抵抗力量已经被击溃或消灭，美军展开“扫残”行动。在向费卢杰心脏地带推进过程中，美军打死约5000名反美武装人员，自己也付出了伤425人、死544人的代价。
13日晚，美军的坦克和装甲车配合美海军陆战队的步兵部队，在炮火的掩护下占领了反美武装在城南的最后一个据点，被围困在一座清真寺里的3000多名伊拉克武装人员最终投降，其他武装人员则利用秘密通道逃亡巴格达，美国政府，随即宣告费卢杰主要战事结束。
