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2003年伊拉克战争结束后，基地组织三号头目扎卡维领导的统一圣战组织已经发展为伊拉克反美武装中最为活跃的一支，扎卡维领导的“统一圣战组织”的秘密据点遍及伊拉克全国各地，人数虽然不是很多，但是主要进行汽车炸弹和自杀式恐怖袭击，2004年5月15日曾在戒备森严的巴格达驻伊联军总部附近炸死伊临管会轮值主席萨利姆，因此驻伊美军和伊临时政府已经将扎卡维定位头号敌人，而扎卡维领导的武装主要盘踞在费卢杰。
2004年，美军决定对费卢杰实施城市战，这场战争反应了现代城市作战的基本样式。其作战可以分为三个阶段，即空袭城市中重要目标、向城区实施攻击和城区战斗、搜剿行动。
战前，美军动用了多颗侦查卫星和部分预警与侦察机，对费卢杰实施了全方位的情报侦查，具体掌握了该城的地形和反美武装的部署情况。11月2日和6日，美军还两次派遣伊拉克临时政府的特种侦查分队潜入城区，对重要目标实施最后的抵近和火力侦察。美、伊联军在正式进攻费卢杰前，对该城重要目标进行了多次火力袭击，针对反美武装大多装备轻武器、防空能力弱的特点，美军充分发挥空中优势，在作战行动前，以空中火力为主对费卢杰相关目标进行了5次大规模轰炸。5日晚，美军战机集中空袭了费卢杰西北部的两个街区。6日上午，美军又对城市周边各处目标进行了炮击，进攻前夜，美军首先以战机、火炮和坦克对费卢杰全城进行了猛烈轰击，随后，做好充分准备的驻伊美军及部分伊拉克临时政府安全部队，开始对费卢杰实施代号为幻影愤怒的大规模进攻。
美军为了避免城市作战中出现大量平民伤亡，政治上造成被动，吸取以往城市作战的经验，在攻城前对费卢杰实施了围三缺一的进攻部署，在西北方向的出城公路上为平民撤离提供安全通道。为了在战前有效地将平民与反美武装剥离出来，美军采取了三个措施，一是大造舆论，威吓民众离开费卢杰，二是破坏水源、电源等生活设施，逼迫居民离开城区，三是实施10多次较大规模的空袭和炮击，驱赶民众离开费卢杰。通过这些手段，费卢杰30多万居民有70%在战前逃离。
美军实行了与伊拉克临时政府安全部队混合战斗排计划，即将部分伊军人员与美军作战部队进行混合编组，此举即可防止伊军在战斗中大量逃跑，也可以弥补美军地形不熟，语言不通，无法及时辨别平民与反美武装等方面的不足。另外，对设立在美军无法涉足的清真寺内的反美武装作战据点，美军在外围进行封锁，清除任务基本上都由伊拉克国民卫队负责完成，美军称此战术手段为强龙和地头蛇结合。
为了防止出现啃骨头局面，美军采取了声南击北的佯攻战术，先派出200多辆装甲车对费卢杰城南发起几次佯攻行动，并于11月8日凌晨占领位于幼发拉底河西岸的费卢杰医院，还控制了两座桥梁，使反美武装误认为美军可能从城南发动攻击，但是就在反美武装将主要兵力调到城南之际，8日夜间，美军同时从西北、东北、东南向城内发起全面总攻，使反美武装四处挨打，美军则四面合围，从外向内逐步推进，不断蚕食反美武装阵地，这种攻击行动看似进展较慢，实则慢中求快，有效减少伤亡。
11月9日，美军装甲部队推进到费卢杰中心，并且开始加固阵地，准备与费卢杰城中心的伊拉克武装分子进行巷战，为了避免城市巷战中人员伤亡过大，美军开始将费卢杰划分区域，在每个区域内部署2到4人的狙击小组，隐藏暗处狙杀反美武装，反美武装人员不堪空袭炮击逃跑出掩体后，即刻会被狙击手狙杀。
自11月5日实施空袭，8日发起攻击行动，16日美军宣布费卢杰战事结束，美军共计打死反美武装1200人，俘虏1000余人，己方部队共有38人死亡、320人受伤，伊拉克临时政府部队6人死亡、28人受伤。此次行动15天后，美军宣布费卢杰已经完全控制，后来，受伤的人中又有33人伤重不治，最终美军有71人死于该战。
费卢杰作战是美军在充分准备的前提下，以新的城市作战理念，即依靠实时精确的战场侦查与火力打击、空地一体化的联合作战，最大限度地削弱了反美武装的力量，依靠多军兵种一体化联合作战的整体威力，完成的一次城市进攻作战行动，开创了现代条件下城市作战的新模式。