绥西三战役

日軍入侵綏遠

1936年，日軍派遣大漢義軍及蒙古軍入侵綏遠，被傅作義率部擊退。
1937年7月7日，日軍在宛平城外發動盧溝橋事變，中國抗日戰爭正式爆發。10月14日，日軍沿京包鐵路西進占領歸綏城，17日占領包頭。加上在抗戰之前已經在綏遠抗戰前後通過蒙疆聯合自治政府（當時為蒙古軍政府）日軍占領的烏蘭察布盟等地，此時尚在國軍手中的綏遠省領土僅剩黃河以南的伊克昭盟和綏遠省西部的河套地區。
占領包頭之後，先後成立了「蒙疆聯合委員會」、「蒙古聯盟自治政府」，這兩個機構仍歸關東軍作內部指導。但日本陸軍中央部特別是參謀本部，在攻占南京以後終於認識到「要打長期持久戰，對蘇準備仍然令人憂慮，因此考慮到對中國方面的增兵是危險的」。
所以日本陸軍中央部在1938年2月確定的作戰指導綱要中，要求侵華日軍確保在中國現已占據的地區作為軍隊後方實質的整備，對第三國方尤其對蘇聯必須嚴加警戒。在情況允許之前，對戰區不要擴大，更不要進行新區的作戰。蒙疆方面，「確保現已占領地區，對占據地區除以現有兵力剿匪作戰外，不進行向遠方推進作戰」。

傅作義脫離晉系

由閻錫山所主導的晉系，一直以來都是以山西省五台縣人為骨幹的一批政治軍事勢力。傅作義在這個派系中屬於例外，作為晉南人的他之所以能夠在晉系當中擔任綏遠省代主席和35軍軍長，主要是憑藉軍功，在閻錫山因中原大戰慘敗而下野期間得到了張學良的提任。閻錫山此後重新主政晉綏，一直想找一個機會撤換掉傅作義，但苦於沒有藉口，就一直沒能實行。太原會戰中，傅作義防守太原失敗，閻錫山上報蔣中正，想以此將傅作義撤換掉，但沒有得到任何回應。
此後在吉縣古賢村，晉系主要將領召開會議，閻錫山在會議上提出排共的提議，但這一提議遭到了傅作義的反對。傅作義認為「只有國共合作，戮力殺敵，才能取得抗戰的勝利。否則，同室操戈，將自取滅亡。」蔣中正一直試圖弱化各地方派系的實力，增強自己的嫡系實力，見傅作義和閻錫山公開分裂，一九三八年，蔣中正在陝西武功召開軍事會議，決定傅作義在後套組織第八戰區副司令長官部，一切補給由國民黨中央直接撥給。「傅作義從此脫離閻錫山投靠了蔣介石」。

抗戰陷入僵持

1939年，傅作義率軍返回河套地區。同一年，第二次世界大戰爆發，此時的抗日戰場進入全面僵持的狀態。時任國民政府軍事委員會委員長蔣中正特級上將在同年10月29日召開的南嶽第二次軍事會議中指出，「我國的抗戰局勢，已臨到勝利的一個大轉機」。蔣中正下令，為牽制華北日軍南調，以減輕對南方戰場的壓力，命令傅作義部出擊烏拉特前旗大佘太地區的日軍。傅作義認為進攻大佘太並不能牽制日軍，此時國軍反而應該奇襲包頭，才能製造聲勢，吸引日軍注意。
1939年下半年，日軍曾對綏西地區進行反覆進攻，負責防禦的馬鴻賓部被迫撤退至三盛公一帶。此後傅作義率部反擊，將日軍重新趕回包頭城及其附近的幾個據點當中。

日軍方面

日軍於1937年12月開始組建「駐蒙兵團」，並於1938年1月8日編成。該兵團初期只轄一個師團和五個後備步兵大隊，此後又補充了一個獨立混成旅團。駐蒙兵團直屬天皇，主要任務是接替關東軍指導蒙疆政權，監視外蒙、寧夏、綏遠方面，負責內蒙、察南、晉北地區的安定。活動範圍嚴格限於已占領地區，而不包括綏西的河套和伊克昭盟，「若超越達里諾爾湖（多倫北約一百三一十六公里）東蘇尼特王府、百靈廟、固陽、包頭連結線及黃河進行作戰（空軍除外）須經批准」。
此外，直接駐紮在包頭的部隊有日軍的駐蒙兵團的一個騎兵集團司令部，集團長為小島吉臧中將。司令部直轄熊川長治中佐指揮的騎炮兵聯隊，另有一個騎兵中隊，一個獨立戰車隊，一個速射炮部隊，並附帶指揮兩個蒙古軍師以及百餘名憲兵和間諜。這些部隊在包頭城內構築了大片的以鋼筋混凝土為主要原料的碉堡群。除此之外，在固陽還駐紮著大賀茂騎兵旅團和蒙古軍第8師。
1939年，日軍找來了之前已經被繳械的王英，組織了一支「綏西自治聯軍」，以王英為上將總司令，下轄陳秉義、王栓子、常子儀等三個騎兵師，駐紮在包頭以西中灘地區公廟子一帶，並派去了桑原大佐作為最高顧問，以及多名日軍教官。

國軍方面

國軍方面，主要部隊為傅作義自太原會戰之後撤回的35軍。在此之前的三十五軍成立了第73師和第101師，後經改編，第73師返回山西，擴編至新編第31、第32兩個師。
此外，當地歸傅作義管轄的部隊還有第81軍、騎兵第6軍、以及新騎3師、新騎4師、新5旅、新6旅、綏遠遊擊軍等。

包頭戰役

對於這場戰役，傅作義做出了詳細部署，每一隻麾下的軍隊都有明確的戰略目標。12月17日，騎兵第6軍在軍長門炳岳的率領下渡過了馬七渡，並殲滅了東、西老藏營子一帶的偽軍，破壞了附近的鐵路。18日，騎6軍在二十四頃地與日軍發生戰鬥。19日又在夜間偷襲駐紮在薩縣的日軍。與此同時，第81軍也按照相應的計劃行事。
日軍集團長小島吉臧在得知國軍騎兵第6軍的動向後，於12月19日深夜派遣以熊川長治為指揮官的騎兵集團大部分部隊組成熊川討伐隊，出城迎擊。12月20日凌晨時分，當熊川討伐隊已遠離包頭城時，中國軍隊已於19日夜繞過了包頭城外由偽軍控制的碉堡群和鐵絲網，進抵包頭城東北角。20日凌晨時分，第93團團長安春山上校率部進抵包頭城西北門。但在勘察了城牆的詳細情況後，安春山下令改為利用包頭城西北角最易攀爬的地點「水巴洞」率先攻城。戰鬥隨即打響，中國軍隊一舉攻下西北門。隨後日軍被驚醒，並展開抵抗。同時一駐守城外西營盤的蒙古軍也開始對西北門發動攻擊，但被阻於城外。而駐守城外先令營的蒙古軍主動派人聯繫第93團，表示不想捲入戰鬥，團長安春山隨即率部迅速攻占了日軍彈藥補給倉庫。
在第93團奪取西北門的同時，已經在城北集結完畢的其他中國軍隊也先後對包頭城展開了進攻。炮兵則在黃草窪附近占領陣地。五臨警備第1團在團附梁伴池少校的率領下最先攻入城內，隨後第91團主力亦在接受駐北營盤的偽蒙軍投降後，跟隨五臨警備第1團之後入城拓展陣地。到了中午時分，第91團第1營的2個連也攻進了城內。另有兩個營則因為城外退水壕過寬，而且與駐留城外之偽軍發生戰鬥而膠著於東北角而未能入城。首先進城的僅第93團1個營，另2個營被阻在城外，與團部失去聯繫。五臨警備第1團與第91團團長都沒有親自進城指揮作戰，使得日軍得以進人碉堡，以火力阻擊中國軍隊的進攻。
12月20日上午10時，新31師師長孫蘭峰少將為統一攻城部隊的指揮，命令副師長王雷震少將為前敵指揮官入城指揮作戰。而王副師長在得到命令後並未入城，只是在城外設立了臨時指揮部，指揮城外部隊與偽軍作戰，他命令已經入城的第93團團長安春山上校統一指揮入城部隊，並派遣第92團第3營入城增援。此時已經入城的部隊計有：第93團第1營、第91團第1營的兩個連、第93團第3營、五臨警備第1團一部。
安春山獲得統一指揮權，迅速與入城各部聯絡上，與城內的日軍發生激烈巷戰。20日下午3時，在安春山團長的指揮下，入城部隊將城內日軍壓迫至城東南一隅，並豎起了國旗。包頭當地的百姓在得知中國軍隊進城之後紛紛送茶送水，慰勞大軍。但是由於東南角日軍碉堡配置錯綜複雜，火力封鎖猛烈，攻入城內的中國軍隊始終未能占領東南角，戰事被迫陷入拉鋸狀態。清晨出城尋找中國軍隊主力作戰的日軍熊川討伐隊在返回的途中遭遇中方增援部隊，這一突發事件使得中日雙方軍隊陷人了混戰。日軍騎兵第1旅團旅團長片桐茂少將命令所屬的兩個騎兵聯隊分由固陽、安北兩地緊急增援包頭。
中國軍隊將注意力集中在包頭攻略，日軍騎兵第1旅團部及直屬部隊在20日下午4時許趁此機會突入城內，成功與守軍會合。固陽的騎兵第13聯隊隊長小原一明大佐親自率聯聯隊的一個大隊增援，行經三和號地區，期間遇遭到中國軍隊新31師第92團與綏遠遊擊軍第1旅的頑強阻擊。日軍以戰車開路，並步步推進，差點突破郁傳義上校指揮的第92團之第2營陣地。郁傳義隨後率部並終於重創了增援的日軍騎兵第13聯隊，其聯隊長小原大佐也在戰鬥中受重傷而被部下救回固原，殘部300餘人在大隊長的指揮下拼死向包頭突進，於21日凌晨時分衝到包頭城西北門外，又遭到了中國軍隊新31師第93團北關守軍與第91團西北關守軍的阻擊，被迫退入西北門外的城壕內據守，隨後被全部殲滅。
當日軍騎兵第13聯隊被中國軍隊擊敗後，日本駐蒙軍司令官岡部直三郎認識到了問題的嚴重性，他立即聯絡第26師團師團長黑田重德中將，命其速派命騎兵第13旅團大部和騎兵第14旅團一部增援包頭，其餘部隊待集結完畢後陸續向包頭開進，同時還命令靠近包頭的偽蒙軍各部救援包頭。在包頭的戰鬥相持入夜後，日軍制訂了夜間反擊的計劃。
21日凌晨，由片桐中將統一指揮的日軍對包頭城內外的中國軍隊發起突然襲擊，一舉突破位於城內前街的五臨警備第1團陣地。中國軍隊隨後組織反擊，奪回了部分陣地，但無法取得新進展。安春山上校指揮的部隊白天打到入夜，仍然與日軍相持在前街一線。只有第92團第3營營長邱子麟少校率領此營下攻占了城南日軍一個最為堅固的大院，全殲據守院內的1個日軍小隊。此時，圍攻薩縣的騎6軍傳來消息，稱已經攻克薩縣，破壞了平綏鐵路。
在城外，由熊川長治中佐指揮的步騎兵聯隊由2架戰鬥機掩護，以300多名騎兵的兵力，對新31師王雷震副師長的前線指揮所劉家窯子發起進攻，但正面和側面的幾次攻勢都被劉景新率部擊退。該股日軍見攻擊無效，便轉而對位於黃草窪的新31師師部發起偷襲，又一次被作為預備隊的第92團2個營擊敗。日軍騎兵第14聯隊在趕往包頭城下之前，其駐地安北正受中國軍隊第81軍的襲擾，所以該聯隊聯隊長小林一男大佐並未全部將部隊帶出，由於並未對沿路兩側進行任何偵查，以致在即將靠近包頭時遭到中國軍隊新編第5旅的伏擊，部隊幾遭全殲，聯隊長小林大佐被當場擊斃，最終逃回了安北。
12月21日下午3時，日軍第26師團先行的兩個大隊成功突破綏遠遊擊軍的外圍阻擊，其後來到包頭附近，由5架戰鬥機作掩護，對城東新31師第93團的兩個營發動進攻。突破這兩個營的防線後，日軍第26師團與熊川騎炮兵聯隊會合，以一半兵力入城與集團司令部匯合，另一部直接向黃草窪新31師師部發動攻擊。31師師部隨即轉移，但仍有4門山炮被日軍繳獲。日軍在奪取黃草窪後又將矛頭指向了西北關，並發生激烈戰鬥。戰鬥開始之後，中方第101師也感到西北關加入戰鬥，雙方一直混戰到入夜後。
12月22日晨，日軍在城內稍事休整，騎兵第1旅團旅團長片桐茂少將擔任日軍反攻總指揮，指揮6個步兵中隊、3個騎兵中隊、1個戰車隊與炮兵一部對包頭城內外的第35軍各部發動總反攻。第101師、新31師、新32師與五臨警備第1團同時與日軍展開激烈的戰鬥，直至日軍在中午時分停止攻擊而結束。
鑑於日偽援軍仍不斷趕往包頭，在已經達成目的的情況下，為防止遭受更大損失，第8戰區副司令長官傅作義決定撤軍。22日中午，第35軍開始撤退。日軍發現第35軍主力有撤退跡象之後，派出了大量戰車、汽車尾追，但隨即遭到殿後的第101師纏鬥，被迫撤回包頭。第35軍主力雖然擺脫了日軍的追擊，但是在昆都侖河地區又遭到了偽蒙軍的襲擾。
此時，在包頭城內的戰線上，當傅上將的命令下達後，中方官兵紛紛表示堅不撤退。安春山只能偽稱「撤退是假，出城決戰是真」為由，將部隊騙出了包頭。當安春山上校率領的部隊撤至昆都侖河時，發現第35軍之主力正在與偽蒙軍糾纏中，於是立即加入戰鬥，從側面襲擊偽蒙軍。偽蒙軍腹背受敵，向昆都侖河西北山麓撤退。而位於包頭的日偽軍，雖然已集結兵力近萬人，卻因前次追擊時受到阻擊而並沒有採取進一步行動。
24日凌晨，第35軍各師陸續撤至中灘地區，並返回了綏西。進攻包頭的戰役至此結束。第35軍斃傷了日偽軍3000餘個兵員，擊毀日軍60多輛汽車、4輛戰車，摧毀1座軍火庫，繳獲各種武器、軍需品甚眾，並擊斃了1名日軍聯隊長（另有騎兵第13聯隊聯隊長小原一明在返回固陽後傷重不治），俘虜1名偽軍團長。第35軍在是次戰役有2000餘人傷亡，也未能收復包頭，但這次攻擊對鞏固華北抗日根據地有利，吸引晉北、察南以及華北大部分日軍的注意，使日軍抽調華北兵力南下的計劃未能實行，因而在戰略上起到巨大作用。

綏西戰役

傅作義進攻包頭的這次行動給日軍以極大震動，因為他們並沒有料到位於綏遠的傅作義有實力對日軍展開攻勢。日本駐蒙軍為了防止傅作義再次進攻包頭，於1940年1月15日制定了旨在殲滅傅作義集團為目的的「八號作戰」。由於五原在包頭以西200多公里，超過了日軍大本營的作戰控制線，所以駐蒙軍又將作戰計劃呈報大本營。而日軍大本營並未考慮到要占領綏西，所以在1月24日的回文中雖然批准了此項計劃，但是命令出擊部隊在達成目的後應立即撤回原防地。
1月25日，日軍駐蒙軍司令官岡部直三郎以黑田重德的第26師團、小島吉藏的騎兵集團、王英的「綏西自治聯軍」3個師和偽蒙軍3個師在集結於包頭周圍，並計劃於1月28日沿黃河兩岸西進，向第8戰區副司令長官部駐地五原發動攻勢。
已經撤回綏西的傅作義一面命令部隊加緊整補，一面開始準備迎擊日軍的部署。傅作義判斷，日軍進犯綏西的主要目的是殲滅中國軍隊而不是以占領土地為目標，於是下令己方軍隊避免與日軍正面決戰，採取游擊方式各路打擊日偽軍。
1940年1月27日，日軍駐蒙軍司令官岡部直三郎中將秘密前往包頭，召見黑田、小島等高級將領策划進攻綏西的相關事宜。會上決定：以第26師團主力2萬餘人取道後山進人綏西地區；以騎兵集團及配屬之偽蒙軍3個師、偽綏西自治聯軍1.5萬餘人取道前山及黃河南岸向綏西進犯，目標直指五原，摧毀綏西抗日根據地。
1月28日，日軍兵分三路進犯綏西，其中兩路在途中遭到了中國軍隊的襲擾，遲至2月3日才擺脫阻擊，繼續向五原前進。另一路日偽混合部隊則在烏不浪口與烏鎮地區遭到了中國軍隊的阻擊在得到飛機坦克的支援下突破了中方軍隊的阻擊陣地，但進展遲緩，1月30日才完全突破陣地，並於2月1日侵占烏不浪口和烏鎮。負責阻擊中方軍隊在達成既定目標之後，先後撤入狼山。同時五原縣縣長李吉祥中校亦於同時順利疏散了群眾，完成了縣城各機關的撤退工作。當2月3日日軍占領五原時，五原已是空城一座。隨後日軍兵分兩路，又相繼占領了臨河、陝壩兩地。
在這一階段的戰鬥中，總的戰略思想是打機動戰，不讓日軍捕捉到中國軍隊的主力，但是在實際上中國軍隊並沒有做到這點，大多數戰鬥仍舊是保持在陣地戰的基礎上作戰，遭受到了不應有的損失。

五原戰役

2月5日，傅作義將作戰指揮部轉移到臨河縣境內的亞麻賴村，並召開會議，組織攻取五原、收復後套的戰役。會中決定，除第35軍與新編第6旅之外，其餘部隊皆解除作戰任務，分別指定地點進行休整。第35軍以第101師移駐狼山灣地區；新31師轉移到狼山山麓附近；新32師沿狼山灣西進，並突襲駐防五原州城的偽蒙軍；新6旅開赴萬和長地區。上述各部皆以狼山為依託，機動打擊日軍。同時派出數百個戰鬥小組，實行游擊戰術，到處襲擊日偽軍。會後，傅上將將他的副司令長官部遷移至亞麻賴以南的什納格爾廟。
此時的日軍由於接連突破中國軍隊的防線，且連占三城，便錯誤地認為中國軍隊之主力遭到殲滅，殘部已無力反擊。第26師團長黑田重德中將更是在五原城內大擺酒宴，並扶持漢奸田喜亭組建維持會，委任王英為綏西警備司令，負責維持綏西治安。同時在張家口以及平津等地的報紙也爭相報導「傅作義全軍覆沒」的消息，吹捧皇軍的「英勇戰績」。
駐蒙軍司令官岡部直三郎中將決定將進入綏西的日軍主力調回察哈爾休整，但是這個決定遭到了參謀長田中新一少將的反對。於是留駐綏西的日偽軍由原先的一個日軍步炮混成聯隊之外，還增加了王英的「綏西自治聯軍」和由偽蒙軍參謀長烏古廷指揮的3個偽蒙師。此外，日軍又於2月17日由雁北調來一個1000餘人的警備隊，使駐五原的日偽軍兵力達到1萬餘人。這些部隊統一由日軍駐五原的特務機關長桑原荒一郎中佐指揮。岡部司令官對桑原中佐作出指示，要求當地日偽軍注意防範，不要依賴日軍救援。
當傅作義上將獲悉日軍主力陸續東撤後，便擬乘留守五原之敵立足未穩之機，將日軍誘出五原後分割包圍殲滅，一舉收復五原。於是，傅上將命令第35軍集中於鄰家地以西地區，準備殲敵，命令馬秉仁中將率領的綏遠遊擊軍佯攻五原，誘敵出擊。之後以小部隊節節阻擊並引誘日軍進人豐濟渠東岸，為第35軍殲滅日軍創造條件，游擊軍主力則迅速進人五原城。而為了收復五原，必須得將五原附近的臨河、陝壩收復，於是傅作義命令新32師先行將這兩地收復。
2月19日，新32師開始了對臨河的攻擊，收復臨河、陝壩的行動僅用幾個小時即解決了問題。而日軍為了避免被個個擊破，便將偽軍各部集中於五原。上午8時，綏遠遊擊軍按計劃行事，日軍步炮混成聯隊以500餘人分乘汽車40餘輛出動，向綏遠遊擊軍發起反擊。日軍在前進至五臨公路南側時即已發現了埋伏於此地的中國軍隊新編第31師第93團，雙方立即發生了激烈的戰鬥，原先的圍殲戰被迫改成了混戰。
新31師第93團為日軍先頭部隊發現後，該團團長安春山上校立即命令所部發動進攻，與日軍發生了正面交鋒，傷亡慘重。而第91團和第92團則因遭到偽蒙軍3個師的策應攻擊，而未能及時配合第93團方面的作戰。其中新91團團長劉景新上校在與偽蒙軍接觸後竟然擅自脫離部隊，以致新91團無人指揮而發生混亂。而在第101師方面的作戰也很不順利。該師剛進人陣地，即與日軍突然遭遇，被迫改為防禦戰，師長董其武少將雖奮力組織部隊逆襲，但是面對日軍的優勢火力，所部傷亡甚重。於是第101師方向的伏擊也告失敗。日軍在兩個地方紛紛與中國軍隊發生激戰後，明白了中國軍隊的伏擊企圖，於是立即收縮部隊，尋機撤回了五原。而負責奪取五原的中國軍隊綏遠遊擊軍見友軍作戰紛紛失利，遂放棄了進攻五原的任務。
首次收復五原的計劃失敗後，傅作義上將總結經驗教訓，對部隊進行調整後，準備再次發動對五原的攻勢。1940年2月25日，傅作義上將在亞麻賴接到了軍事委員會委員長蔣中正的電報，任命傅作義為第8戰區代理司令官，要傅作義即刻前往蘭州就任，部隊在石嘴山收容。經過與部下商討後，傅作義謝辭了蔣中正的任命，表示願意繼續堅持在綏西抗日。隨後，傅作義對之前的戰役進行了總結，懲辦了部分將領，並在此之後對部隊進行了數次演習，訓練出一支突擊隊伍。
駐五原的日偽軍在第一次擊退中國軍隊的進攻後也重新調整了部署，以桑原荒一郎中佐指揮的特務機關和偽蒙警備隊1000餘人駐守五原新城（步炮混成聯隊在第一次防守五原得勝後也撤出了五原，取而代之的是名義上受偽蒙軍指揮的由日本人組成的警備隊），由烏古廷少將指揮的偽蒙軍第4、第5、第8師駐守五原舊城和新城中，由王英中將指揮的「綏西自治聯軍」駐防在五原外圍的郝鏡橋、南牛耕、蠻可素、同義隆和扒子補隆一線。
3月15日，中國軍隊參戰各部開始行動，並於19日抵達各自指定位置。由新31師第93團團長安春山上校為突擊隊司令、曹子謙上校為副司令的「掏心突擊隊」經過晝伏夜行亦進至五原新城外壕。3月20日深夜，突擊隊在成功繞過偽蒙警備隊並俘獲偽軍士兵取得通行口令後成功抵達五原城門口，隨後以精壯之士將城門日軍警衛刺殺，俘獲4名偽蒙軍士兵，占領城門。此時，突擊隊分為8個小隊迅速突入城內，攻擊即定目標，以手榴彈投擲日軍營房，一時全城槍聲四起。在此次奇襲下，30餘名日本軍官逃離五原新城，日偽軍的指揮系統陷入混亂。22日下午，城內日軍除兩處據點外，其餘基本被肅清。此後日軍多次反撲，並使用了毒氣，但均被擊退。下午3時，新31師以所屬第91團第2營發起猛烈進攻，在步炮的密切配合下，其尖刀連（第2營第5連）在孫英年上尉的指揮下經激烈戰鬥，終於突入平市官錢局和屯墾辦事處的日軍據點，隨後第2營營長令狐理少校也率部突入，終將據點內的守軍全部殲滅。五原新城至此被完全收復。
新31師向新城發動進攻的同時，新犯師與配屬之炮25團第2營在師長袁慶榮少將的指揮下也開始對五原舊城、前後補紅和廣盛西的日偽軍發動了攻擊。戰鬥進行的很慘烈，雙方傷亡慘重。對城外的偽軍據點的清剿也在同時進行。21日夜，被中國軍隊圍攻的偽蒙8師的師長寶音格勒德爾少將向五原城內的特務機關部請示下一步行動方案。此時的日軍特務機關部已被中國軍隊占領，中方假冒特務機關的名義叫偽蒙8師「自由行動」，寶音格勒德爾在得到這個回復後立即命令部隊放棄陣地，向東撤退。該師在撤退途中又遭到新編騎兵第4師的伏擊，僅500餘人逃出五原。
綏遠遊擊軍在代理司令李作棟少將的指揮下亦於3月20日夜對郝鏡橋、蠻可素的「綏西自治聯軍」發起進攻。由王英率領的「綏西自治聯軍」在聽說五原城內日軍各據點相繼失守之後，隨即向南潰敗。李作棟少將在得知當面情況後，果斷下令追擊，將「綏西自治聯軍」殲滅大部，僅王英等率領殘部數百人逃脫追擊，其參謀長楊守程被擊斃，顧問淺沼慶太郎與高參李根車被俘虜。
在五原城內外各據點發生激戰時，作為預備隊的第101師除以303團支援友軍作戰外，還以所屬第302團攻擊五加河地區的橋樑守敵，阻擊日軍的增援部隊。第302團團長郭景雲上校奉命後於20日夜抵達攻擊位置，他將主力部署在橋南，另以一部分兵力潛渡河北，以突然進攻的方式兩面夾擊守橋偽軍，經1小時戰鬥即順利攻占橋樑，並俘虜偽軍官兵50餘人，隨後郭團長將橋樑破壞，並在河南構築防禦工事以阻擊援敵。同時，新5旅與新6旅也按照既定計劃將各自負責的攻擊目標之偽軍守備隊殲滅，並破壞了橋樑。當五原舊城為新32師收復後，傅作義上將命令該師改為預備隊，命令第101師師長董其武少將率領所屬第301團、第303團推進至二財主絕旦地區搶修工事，以阻擊由此增援五原的日軍。
3月22日下午3時，就在五原新城即將被新31師收復之際，增援的日軍趕到了五原外圍，並突破了新6旅的防線，架設浮橋，搶修五加河上被破壞的橋樑。郭景雲上校率領第302團予以阻擊，使日軍渡河受挫。隨後日軍數次組織強攻，曾一度攻上河堤，郭景雲立即組織精壯之士與日軍展開肉搏，郭景雲雖連中兩彈，但是仍舊堅持不下火線，終於將日軍趕回了河北。隨後，董其武師長命令第303團接替第302團防務，繼續阻擊日軍，並順利地完成了阻擊任務。
此間，由五原新城突圍的日軍殘部在特務機關長桑原荒一郎中佐的率領下突圍至二驢子附近時遭到中國軍隊游擊部隊截擊，桑原中佐被擊斃。由五原外圍據點南逃的「綏西自治聯軍」司令王英帶著部下師長陳秉義等數十人逃至西山咀與偽蒙軍參謀長烏骨廷率領的殘部1000餘人會合。他們利用中國軍隊新5旅旅長安華亭少將原為王英舊部的關係，順利渡過五加河逃回了包頭。事後，安華亭少將為了掩蓋故意放走偽軍高級將領的事實，命令部下將橋樑炸毀以掩過飾非。但此事最終被部下告發，安華亭被撤職查辦。
日軍在失守五原後，於3月22日發布第425號作戰命令。駐蒙軍司令官岡部中將於3月24日以小島中將的騎兵集團為主力，配屬第26師團的兩個大隊集結於五加河畔，並以猛烈的炮兵轟擊中國軍隊第101師第301團和第303團的防禦陣地。第301團在團長王建業上校的指揮下奮勇阻擊，營長馮增波少校、連長郝寶瑞上尉相繼陣亡，王團長亦臂部負傷，陣地逐被日軍突破。隨後日軍從側翼包抄第303團防禦陣地，並奪占橋樑，使第303團遭受慘重損失，團長宋海潮上校身中7彈，大腸外露，昏死在陣前（後為當地居民救回性命），第303團被迫放棄陣地向後撤退。傅作義立即命令第101師後撤，被迫再次放棄五原。
日軍在突破五加河第101師防線後兵分兩路，一路追擊撤退的中國軍隊，由於中國軍隊撤退及時，日軍未能捕捉到任何蹤跡。另一路日軍直接向五原前進，並於3月26日中午時分重占五原。但是日軍這次占領五原後，沒能找到漢奸，缺乏糧食補給，加之先前的激烈巷戰，到處都是殘垣斷壁，一片荒涼跡象。而中國軍隊的游擊部隊又在五原外圍不時地騷擾日軍，破壞糧食補給線，使得占領五原的小島吉藏中將頭痛萬分，屢次致電駐蒙軍司令部，請求放棄五原。
3月27日，中國軍隊第35軍扒開五加河南堤，引水淹沒了五加河至五原公路。這一舉動終於使駐蒙軍司令官岡部中將決定放棄五原，將部隊撤回包頭。小島吉藏中將匆忙指揮部隊將屍體搜集火化，在飛機的指引下，撤出了五原。28日，中國軍隊再次收復五原。
此役，殲滅日偽軍5000餘人，其中擊斃日軍總指揮官水川伊夫皇族中將等軍官300餘人，擊斃日兵1100餘人，生俘日軍指揮官、警務指揮官和偽軍師長等50餘人，斃傷偽蒙軍3000餘人，是抗日戰爭以來國民政府統率軍隊第一次收復失地，亦成為：「五原大捷」。
第35軍與友軍各部從1939年12月的冬季攻勢開始，經過4個多月的戰鬥，大小作戰57次，終於打敗了日軍及日偽軍，共殲敵1萬餘人，並最終收復五原，第8戰區的冬季攻勢自此勝利結束。

戰役影響

1940年4月6日，重慶大公報發表了題為「五原戰役開創最後勝利的先路」的社論，高度讚揚了由傅作義上將率領的部隊的優良戰績與抗日精神。4月14日，重慶大公報又說:「此次收復綏西作戰五十七次，連續一百五十日，戰士充滿犧彪炳，殊堪矜式」。1940年4月17日，國民政府令:「授第八戰區副司令長官傅作義『青天白日勳章』」。對此，傅作義於5月23日發表了辭勛電，並在電文中高度讚揚了所部官兵艱苦抗戰、奮勇殺敵的愛國精神。傅作義公開辭勛後，軍事委員會委員長蔣中正又於同年5月給傅作義兩個暫編軍的番號，同意其擴編部隊，作為對其綏遠戰鬥的嘉獎。而傅作義直到抗戰勝利後才接受青天白日勳章。
在包頭戰役中被中國軍隊俘虜的于振贏，後因功升任綏遠遊擊部隊的師長。
在日軍方面，駐蒙軍司令官岡部直三郎中將對於五原作戰一直因責任問題而苦惱萬分，直到5月3日才對其參謀長田中新一少將「加以譴責和明確責任」。此外，岡部中將對於擔任偽蒙古政府顧問以及偽蒙軍事顧問而在五原戰死的34名日本人作為駐蒙軍司令部編制人員上報，由日本陸軍部按1939年11月的新規定加以追悼和撫恤。1940年9月，岡部中將因為在綏西作戰不利等原因奉召回國，歷任參謀本部部附、陸軍大學校長、第3方面軍司令官、第6方面軍司令官，官階陸軍大將。日本投降後，國民政府於1945年9月18日在漢口中山公園內舉行第6方面軍的受降儀式，岡部直三郎大將向中國受降主官、第6戰區司令長官孫蔚如上將脫帽行禮致敬，並解下佩刀雙手奉上，辦理了投降手續。9月30日岡部被囚禁在武漢大學內。1946年7月，被中國軍事法庭確定為戰犯嫌疑轉押至上海。同年11月28日，因精神緊張突發腦溢血，在戰犯醫院中死去。
從此日軍限於兵力不足等諸多因素，再未對綏西發動大規模攻勢。而傅作義率領的部隊又在綏西地區與日軍相持了5年，之間小戰鬥頻繁不斷，並時常策動偽軍反正，有力地牽制了駐蒙軍兵力，使其不能將部隊使用於華南地區。