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1950年，林曉霖乘火車從蘇聯回到中國。林曉霖被高崗夫婦接到沈陽見母親張梅，不久，高崗夫人李力群帶林曉霖到北京見父親林彪、繼母葉群。由于葉群不接受林曉霖，所以到北京的第一年，林曉霖住在羅榮桓家。一年后，葉群怕人非議自己虐待前妻的孩子，才將林曉霖接到林彪、葉群的家中。1954年，林曉霖考入北京師范大學附屬女子中學，此后曾獲得北京師范大學附屬女子中學學習優良金質獎章。葉群和林曉霖的關系一直不好。1958年夏，葉群又不許林曉霖進家門，林曉霖遂住到同學家，該同學是作家嚴文井之女。葉群命令秘書將林曉霖的戶口由北京遷到沈陽，秘書李文普奉葉群之命，持羅瑞卿開給沈陽市副市長宋光的介紹信，到嚴文井家將林曉霖接出，送到沈陽。1960年，中學畢業，林曉霖本來想入哈爾濱軍事工程學院（簡稱“哈軍工”），但繼父徐介藩為哈軍工裝甲兵工程系主任，軍隊系統有避嫌的不成文規定，所以她遂入西安的中國人民解放軍軍事電信工程學院（簡稱“西軍電”）。1961年，繼父徐介藩調到西安，組建中國人民解放軍裝甲兵工程學院，林曉霖為避嫌而轉學進入哈軍工學習，插班成為導彈工程系第9期學員。
1962年底，陸定一的妻子嚴慰冰到哈軍工看望長子陸德，從陸德處得知剛從西軍電轉學而來的林曉霖的情況。葉群虐待林曉霖，放假也不準林曉霖回到北京探望父親林彪，在哈軍工的高干子弟中間激起了民憤。嚴慰冰同情林曉霖，而且早在延安時期，嚴慰冰便與葉群有私怨，1960年至1966年期間，嚴慰冰向葉群及子女投寄幾十封匿名信，造謠葉群的私生活，聲稱葉群子女并非林彪親生，并用強烈引導話語聲稱葉群的女兒與劉少奇的子女長得很像。挑撥林彪葉群與子女的關系。且用化名以及投遞地址等方式企圖栽贓嫁禍給劉少奇夫人王光美。1966年春，匿名信案告破，4月28日，嚴慰冰因向林彪家寄匿名信而被中央定為“反革命”，逮捕入獄。5月16日上午，在中共中央政治局擴大會議上，林彪親自就此事憤怒質問陸定一。
1966年，文化大革命爆發。8月3日起，哈軍工的學員和教員中分別持有“踢開黨委鬧革命”和“在黨的領導下搞運動”這兩種對立觀點的群眾在哈軍工的俱樂部展開大辯論。8月6日晨，在俱樂部對面、哈爾濱文廟東墻外的小樹林中搭建起一個露天講臺，講臺上方拉起紅布做的橫幅，此處迅速被人們稱為“小樹林辯論會”。此處開會后，擔任主持人的空軍工程系女學員嚴延英說：“請第一個發言者林曉霖同志上臺！”林曉霖的發言反對踢開黨委鬧革命，反對砸爛一切，力主保護老干部，她說：“我們和造反派的根本分歧是要不要黨的領導，現在打倒各級黨委成了時髦，如果各級黨委都是‘黑幫、黑線’，黨中央不就架空了！？”她還說：“現在造反有理成了最響亮的政治口號，請問，在無產階級專政的社會主義國家，你造誰的反？造反有理是有階級性的，我們千萬不能上當！”她的發言贏得陣陣掌聲與喝彩，許多人往上遞紙條，寫著“講得好！”“說出我們的心里話！”等等。林曉霖發言完畢，嚴延英收到40多張表態支持該發言的紙條。林曉霖在小樹林辯論會上的這次發言《領導我們事業的核心力量是中國共產黨》，迅速從哈軍工流向社會，傳遍全中國。8月8日，中共中央作出《關于無產階級文化大革命的決定》，小樹林派遂以日期為名，成立“哈軍工八八紅旗戰斗團”，林曉霖成為其中的骨干成員之一，但不是領袖。
1966年8月上旬，有人將林曉霖在小樹林辯論會上的發言送到人民大會堂浙江廳，當時林彪和葉群為避暑而住在安有空調的人民大會堂。林彪和葉群對此很重視，當天葉群向秘書趙根生口授了一個《林彪聲明》。8月21日上午，林曉霖被告知林彪同意她到北京，遂被騙上飛機，在飛機上得知自己已提前畢業，并被分配到新疆參加工作，遂被押送到新疆馬蘭基地。8月25日中午，哈軍工廣播了《林彪聲明》如下：
到馬蘭基地后，覺得自己“被綁架”的林曉霖絕食抗議，4天后因虛脫昏迷而被送往醫院搶救。在醫院，林曉霖得知《林彪聲明》，并且得知“哈軍工八八紅旗戰斗團”已將她開除。林曉霖致信父親林彪，信中大罵父親，并且提出完全斷絕父女關系。出院以后，林曉霖成為馬蘭基地政治宣傳處的干事，受到監視。林曉霖曾逃跑過一次，但十多小時后便被發現，押送回馬蘭基地。
1967年冬，林曉霖的腳被車撞傷。1968年，林曉霖提出到北京治腳傷，被領導拒絕稱“北京有指示，不許回去”。林曉霖隨即又逃離馬蘭基地，潛返北京，被葉群派人送到重慶某軍軍部治療。不久，葉群又替林曉霖找了一名文化程度低的軍人結婚。此后，由于部隊調防，已懷有身孕的林曉霖隨丈夫來到云南大理，在大山里居住多年。1971年，九一三事件發生，林彪、葉群死亡。上級指示要林曉霖夫婦交代問題，揭發林彪反黨集團的罪行。有人甚至在林曉霖長子的臉上寫“林賊之孫”四個字。林曉霖夫婦沒有揭發，并且感到憤怒。對林曉霖的審查持續4年，直到文化大革命結束。
文化大革命結束后，林曉霖夫婦帶著兩個兒子，先后從云南的大山里返回北京。林曉霖憑借俄語素養和文字功底，被有關領導安排到國防科委科技情報研究所任職。
林曉霖很關心在鄭州的一家工廠工作的林立衡（林豆豆），便買了許多好吃的，自北京到鄭州找到林立衡，從此林立衡對姐姐林曉霖的敵意消失。后來，林立衡到北京便住到林曉霖家。但在1990年代初，林立衡四處活動，為林彪翻案，林曉霖不贊成林立衡的這種做法，姐妹間又產生了矛盾。林曉霖已退休，她一直居住在北京。
2007年8月1日，中國人民解放軍建軍80周年紀念日，北京的中國人民革命軍事博物館舉辦的大型展覽上掛出林彪元帥照片，引發國內外輿論熱議。8月1日，《南方都市報》刊登報道《林曉霖評父親林彪：功是功，過是過》。8月6日，該報又刊登報道《林彪長女林曉霖評父親功過，講述父女骨肉情：“我向受父親迫害者謝罪”》。林曉霖說：
多年來，林曉霖曾作為林彪之女，對許多人謝罪。在王光美追悼會上，林曉霖向劉少奇的子女謝罪。林曉霖向在文化大革命初期自殺的作家老舍之子舒乙謝罪。“井岡山聯誼會”開會時，林曉霖向到場的老紅軍子弟謝罪。在來到廣東惠州的中國人民解放軍某部時，林曉霖也向這支林彪曾帶過的部隊謝罪。2006年春，林曉霖打電話給中學同學章詒和（章伯鈞之女），她們雖然彼此相知，但多年無聯系，林曉霖在電話中表示：“我花了一百多元買了你的書，我看了，心里非常難過，非常痛苦。我打電話的目的，就是要告訴你——我的父輩對不起你的父輩……”
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K956/957、K958/955次列車是中國鐵路運行于吉林白城至山東青島之間的一對快速旅客列車，自2016年1月10日起按現區間開行，由沈陽鐵路局長春客運段負責客運任務。列車使用中國鐵路25G型客車，沿平齊鐵路、通讓鐵路、大鄭鐵路、高新鐵路、沈山鐵路、津山鐵路、京滬鐵路、膠濟客運專線運行，跨越吉林、內蒙古、遼寧、河北、天津、山東四省一市一區。其中白城站至青島北站運行26小時25分，運行2034公里，使用車次為K958/955次；青島北站至白城站運行27小時14分，運行2039公里，使用車次為K956/957次。
K956/957、K958/955次列車的前身為瀋陽北至青島的111/114、112/113次直通旅客快車。1993年4月1日，111/114、112/113次列車經沈丹線延長至丹東站始發終到。1997年4月1日，配合中國鐵路實行第一次大提速，111/114、112/113次列車改車次為411/414、412/413次。2000年10月21日，中國鐵路實行第三次大提速，重新分類和調整列車的等級和車次，411/414、412/413次列車改車次為1412/1413、1414/1411次。
2007年4月18日，配合中國鐵路實行第六次大提速，1412/1413、1414/1411次列車改車次為1206/1207、1208/1205次。
2011年7月1日起，1206/1207、1208/1205次列車升級為快速列車，車次亦改為K956/957、K958/955次。
2014年1月10日，K956/957、K958/955次列車由青島站改為青島北站始發終到。
2016年1月10日，K956/957、K958/955次列車改為白城至青島北間運行。
K956/957、K958/955次列車的乘務工作由沈陽鐵路局長春客運段負責，使用配屬于沈陽鐵路局長春車輛段的中國鐵路25G型空調客車擔當客運任務，采取18節車廂編組，其中硬臥車9輛、硬座車6輛、軟臥車、餐車及行李車各1輛，客車採用直流600V機車直供電。
YW22B硬臥車
CA25B餐車
K956/957、K958/955次列車由沈陽鐵路局使用通遼機務段的韶山9G型電力機車擔當白城至沈陽間機車交路，在電氣化區段過去使用沈陽鐵路局沈陽機務段的韶山9G型電力機車擔當沈陽至青島間機車交路，現在使用沈陽鐵路局沈陽機務段的和諧3C型電力機車擔當沈陽至青島間機車交路。
丹東 ? 沈陽
沈陽 ? 山海關
東風11型柴油機車東風4D型柴油機車沈局沈段丹東司機
沈陽 ? 青島
東風11G型內燃機車沈局沈段丹東司機
韶山9G型電力機車沈局沈段沈陽/山海關/天津/青島司機在山海關/天津/濟南東輪乘
白城 ? 沈陽
沈陽 ? 青島北
韶山9G型電力機車沈局遼段瀋陽/通遼司機在通遼輪乘
和諧3C型電力機車沈局沈段沈陽/山海關/天津/青島司機在山海關/天津/大明湖輪乘
K958/955次
K956/957次
1208/1205次
1206/1207次
1414/1411次
1412/1413次
包頭戰役，是1939年中國國民政府軍在第八戰區發動的冬季攻勢中的首場戰役。戰役以拖延日軍南下為目的，于12月17日展開包頭城的外圍戰斗，并于隨后對包頭城展開圍攻，期間一度攻下大半座城池，但最終由于日軍增援兵力趕到，同時吸引日軍注意的目的已經達到，中國軍隊選擇主動撤出，并為隨后展開的綏西戰役奠定基礎。
為配合其他戰區的作戰，拖延華北日軍南下進展，傅作義決定展開此次會戰。
日軍于1937年12月開始組建“駐蒙兵團”，并于1938年1月8日編成。此外，直接駐扎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，并附帶指揮兩個蒙古軍師以及百余名憲兵和間諜。在固陽還駐扎著大賀茂騎兵旅團和蒙古軍第8師。
1939年，日軍找來王英組織了一支“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，駐扎在包頭以西中灘地區公廟子一帶。
國民政府軍在此戰中的主要部隊為傅作義自太原會戰之后撤回的35軍。在此之前的三十五軍成立了第73師和第101師，后經改編，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、綏遠游擊軍等。
對于這場戰役，傅作義所做出的部署如下：
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，并殲滅了東、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斗。19日又在夜間偷襲駐扎在薩拉齊縣的日軍。與此同時，第81軍也按照相應的計劃行事。18日下午，傅作義派遣參謀主任兩次王興中校和參謀靳書科上尉前往聯絡新31師，傳達了確定在19日夜開始行動的命令。
日軍集團長小島吉臧在得知國軍騎兵第6軍的動向后，于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，以5輛戰車為前鋒，出城迎擊騎兵第6軍。12月20日凌晨時分，熊川討伐隊已遠離包頭城之后，由第93團團附馮梓中校率領的新31師第93團第2、第3營，已于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領的團部與第1營也在當地青年王友良的指引下進抵包頭城西北門。安春山在進至西北門時發現，城墻上僅有幾名蒙古軍士兵巡邏，于是他當即放棄了原有計劃，改為利用包頭城西北角最易攀爬的地點“水巴洞”率先攻城。
安春山在得到進攻指令后命令所屬第1營第1連首先通過外壕向城墻架設云梯。當攻城部隊開始攀爬城墻時，守城的兩名蒙古軍士兵發現了進攻中的國軍。隨即這兩名守城士兵直接投降，這使攻城部隊無傷亡的登上城墻。在兩名投降的蒙古軍士兵所提供信息的幫助下，攻城部隊迅對駐扎在西北門的日軍發動攻擊，一舉殲滅守門日軍20余人，奪取西北門。西北門的戰斗驚醒了正在熟睡的日方守軍，他們立即占據城內各個碉堡開始抵抗。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，試圖夾擊第93團第1營，但被第1營第1連連長姚德增上尉率領的一個班阻截在了城外。而駐守城外先令營的蒙古軍主動派人聯系第93團，表示不想卷入戰斗，并主動送給第93團彈藥20箱。此舉免去了第93團腹背受敵的危險,也使團長安春山集中第93團第1營主力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新31師第91團與五臨警備旅第1團、城東北的第93團兩個營也先后對包頭城展開了進攻。炮兵則在攻城副指揮官劉振蘅少將的指揮下，于黃草洼附近占領陣地，并將師指揮所設在了黃草洼。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，隨后第91團主力亦在接受駐北營盤的偽蒙軍投降后，跟隨五臨警備第1團之后入城拓展陣地。到了中午時分，第91團第1營的2個連在連長崔建新上尉、令狐理上尉的率領下也攻進了城內。由第93團團附馮梓中校率領的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斗而膠著于東北角，未能入城。
當時城內的日軍對攻入的中國軍隊一無所知，其騎兵集團司令小島顯得十分驚慌。但因攻城各部未能密切配合，以致攻擊時間不一，攻勢不猛，使城內日軍逐漸恢復鎮定，組織力量開始抵抗。首先進城的僅第93團1個營，另2個營被阻在城外，與團部失去聯系。五臨警備第1團與第91團團長都沒有親自進城指揮作戰，使得日軍得以進入碉堡，以火力阻擊中國軍隊的進攻。就在新31師各部發起攻城戰斗時，日軍騎兵集團司令部與駐張家口的駐蒙軍司令部取得了聯系，但是當司令官岡部直三郎中將問及是否需要增援時，騎兵集團的回復是已通知駐薩縣的騎兵第1旅團增援，不必排遣其余援軍。
12月20日上午10時，由于攻城各部進展不一，而且有的部隊并未突破城墻，加之配屬作戰的五臨警備第1團不熟悉第35軍的指揮體系，于是新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后并未入城，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，并派遣第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。
安春山在獲得統一指揮權后，迅速聯絡上入城各部，他將各營、連部署在前街至金龍王廟一線，與城內日軍展開了激烈的巷戰。而日軍在這個時候也仗著訓練有素、裝備精良的優勢，迅速進入設置于各街口的碉堡內進行抵抗，城內戰斗甚為激烈，中國軍隊進展受阻。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，并豎起了國旗。包頭當地的百姓在得知中國軍隊進城之后紛紛送茶送水，慰勞大軍。但是由于東南角日軍碉堡配置錯綜復雜，火力封鎖猛烈，攻入城內的中國軍隊始終未能占領東南角，而日軍又數次組織部隊反擊，戰事被迫陷入拉鋸狀態。
新31師孫師民為了加快攻擊速度，于此時命令預備隊第92團第3營投入戰斗，加強城內部隊的攻擊力，但沒有想到在清晨出城尋找中國軍隊主力作戰的日軍熊川討伐隊也在這個時候趕回了包頭，并與包頭城西北門外與中國軍隊發生戰斗，這一突發事件使得中日雙方軍隊陷人了混戰。在包頭城內城外激戰的同時，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。
20日下午4時許，日軍騎兵第1旅團部及直屬部隊一舉突入包頭城內，成功與守軍會合。在固陽的騎兵第13聯隊由其聯隊長小原一明大佐親率一個大隊增援，在行至三和號地區時遭到中國軍隊新31師第92團與綏遠游擊軍第1旅的頑強阻擊。日軍以戰車開路，步步推進，由郁傳義上校指揮的第92團之第2營陣地險被日軍突破。郁傳義急以電話聯絡師部，希望增援。此時傅作義上將親臨新31師師部視察戰況，并提出了改“圍城打援”為“守城打援”的方針。其所屬參謀靳書科上尉在接到郁團長的電話后將傅作義的意圖告知郁傳義，郁團長隨即表示堅決固守陣地，并終于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斗中受重傷而被部下救回固原，殘部300余人在大隊長的指揮下拼死向包頭突進，于21日凌晨時分沖到包頭城西北門外，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。此時正值新31師派遣師部參謀處長宋海潮上校率領1個炮兵連入城支援作戰，宋處長見城壕內之日軍殘部后，立即派人聯絡城墻上的第93團，先以炮火壓制，隨后以第93團步兵沖鋒，將該部日軍全部予以殲滅。由安北增援的騎兵第14聯隊則因距離包頭較遠，此時尚在奔赴戰場的途中。
當日軍騎兵第13聯隊被中國軍隊擊敗后，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，其余部隊待集結完畢后陸續向包頭開進，同時還命令靠近包頭的偽蒙軍各部救援包頭。在包頭的戰斗相持入夜后，日軍騎兵集團長小島中將與在城外指揮作戰的熊川中佐取得了聯系，指定所有在包頭的部隊統由騎兵第1旅團旅團長片桐茂中將指揮，并且利用日軍對地利的熟悉，制訂了夜間反擊的計劃。
21日凌晨,日軍在片桐中將的統一指揮下對城內外中國軍隊發起突然襲擊，一舉突破了位于城內前街的五臨警備第1團陣地。第93團安春山團長在得知陣地失守后也立即投入部隊展開反擊，經過數十次激烈的爭奪，安春山團長終于挫敗城內日軍，而位于城外的日軍也在新31師副師民王雷震少將的有利反擊下，攻勢受挫。為了迅速將城內日軍殲滅，安春山團長在挫敗了日軍的夜襲計劃后，決定對城內日軍發起反擊。但是在攻擊開始后，日軍的碉堡火力封鎖使城內中國軍隊無法繼續擴大戰果，從白天打到入夜，安春山上校指揮的部隊仍與日軍相持在前街一線。僅第92團第3營在營長邱子麟少校的率領下攻占了城南日軍一個最為堅固的大院，將據守院內的日軍1個小隊悉數殲滅。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以300余騎兵在2架戰斗機的掩護下，向新31師王雷震副師長的前線指揮所劉家窯子發起進攻。這支日軍部隊遭到了新31師第91團團長劉景新上校率領的第2營第5連以及1個炮兵連的有利阻擊。日軍騎兵在連續4次沖鋒失利后放棄了正面攻擊，企圖迂回至劉家窯子側背再次進攻，仍被劉景新率部擊退。該股日軍見攻擊無效，便轉而對位于黃草洼的新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，其殘部百余人返回包頭城東。
就在新31師第92團阻擊當面的騎兵時，日軍騎兵第14聯隊已接近包頭。騎兵第14聯隊的駐地安北當時正受中國軍隊第81軍的襲擾，所以該聯隊聯隊長小林一男大佐并未全部將部隊帶出，由于并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，僅殘部100余人逃出了伏擊圈，但是在逃至昆都侖時又遭遇到剛趕至戰場的新32師第94團第11營。第1營營長魯樂山少校由于缺乏戰場經驗，企圖勸降這支日軍。日軍殘部在拒絕了勸降請求后，趁第94團第1營還沒有做好戰斗準備逃回了安北。
中國軍隊第101師在行至毛鬼神窯子地區時擊敗了由此增援的偽蒙軍，其所屬第302團在團長郭景云上校的指揮下，于昆都侖地區包圍前來增援的一支偽蒙軍，俘其該團團長于振贏以下300余人。偽團長于振贏被俘后，主動提出并成功的勸降了位于新城堡的偽蒙軍投誠。
12月21日下午3時，日軍第26師團先行的兩個大隊在突破了綏遠游擊軍外圍阻擊后抵達包頭附近，在5架戰斗機的掩護下對城東新31師第93團的兩個營發動進攻，并在突破了這兩個營的防線后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，另一部徑直向黃草洼新31師師部發起攻擊。此時的黃草注除師部直轄部隊外，僅第92團兩個營和剛抵達戰場的新32師第94團第2營，鑒于先前阻擊熊川騎炮兵聯隊時已遭受相當損失的情況下，這三個營井未能阻擋住當面的日軍,新31師師長孫蘭峰少將只能下令撤退到北山根附近進行整頓。由于日軍進攻甚猛，留置于新31師師部附近的一個炮兵連因攻城副指揮官劉振蘅沒能及時通知而告覆沒，這個連的4門山炮全被日軍掠獲。
日軍在奪取黃草洼后又將矛頭指向了西北關。防守西北關的第91團第2營第2連和團屬機槍連在第2連連長孫英年上尉的指揮下，集中輕重機槍成功阻擊日軍。此時新32師所屬之第95、第96團趕至包頭城，這2個團在師長袁慶榮少將的指揮下立即投入戰斗，與進攻西北關的日軍大隊發生激烈戰斗。而日軍第26師團的后繼部隊也千此時陸續趕至，投入了戰斗，致使新32師腹背受敵，遭受慘重損失，師部參謀王曉鵬上尉與第96團的兩名連長相繼陣亡。正當新32師危急時，第101師在擺脫了沿途的偽蒙軍后，也趕到了西北關加入戰斗。中日雙方即圍繞著西北關為爭奪要點，一直混戰到入夜后。
12月22日晨，在城內稍事休整的日軍以騎兵第1旅團旅團長片桐茂少將為反攻總指揮，指揮6個步兵中隊、3個騎兵中隊、1個戰車隊以及炮兵一部向城內外的第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戰斗。這一戰斗一直進行到中午時分，以日軍停止攻擊而結束。
鑒于日偽援軍仍不斷趕往包頭，中國軍隊經過兩天兩夜的苦戰，已經極度疲勞。如果再與日軍繼續作戰，勢必遭受更大的損失。為此，第8戰區副司令長官傅作義上將根據情況認為，在3天的激烈爭奪戰中，已殺傷大量日偽軍，此時要收復包頭已是不可能的，于是傅上將決定撤軍。命令概要如下：“我軍遠襲包頭，業已攻入城內，消滅了大量敵人，并將日軍主力吸引過來，配合湘北戰役的任務，已經完成。為了避不利、找勝利，決定作戰略轉移。各部隊應按先城內后城外，先攻城部隊后打援部隊的次序，互相掩護，脫離戰斗，于21日夜間向中灘地區轉進。”
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后，派出了大量戰車、汽車尾追，但隨即遭到殿后的第101師纏斗，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，在戰斗中，接應第35軍主力撤退的新32師第94團第1營第3連連長張祿臣上尉以下百余人陣亡。
此時，在包頭城內的戰線上，當傅上將的命令下達后，新31師副師長王雷震少將緊急派人進入城向第93團安春山上校傳達。但是入城作戰的官兵紛紛表示收復包頭的決心，堅不撤退。而城外的部隊已開始陸續撤退，新31師王副師長亦屢次派人急催安春山撤軍。這時安春山只能偽稱“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，于是立即加入戰斗，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。而位于包頭的日偽軍，雖然已集結兵力近萬人，卻因前次追擊時受到阻擊而并沒有采取進一步行動。
24日凌晨，第35軍各師陸續撤至中灘地區，并返回了綏西。進攻包頭的戰役至此結束。第35軍撤出包頭的同時，仍有第93團第1營的7名戰士堅守包頭城內的娘娘廟，他們沒能收到撤退的命令，發現大部隊撤退后選擇了堅持作戰，直至22日入夜后因彈盡糧絕，舉槍自裁。戰后，日軍感其忠烈，特為這7名英勇的中國戰士立碑。
第35軍斃傷日偽軍3000余人，擊毀日軍汽車60余輛，戰車4輛，摧毀軍火庫1座，繳獲各種武器、軍需品甚眾，并擊斃日軍聯隊長1人（另有騎兵第13聯隊聯隊長小原一明在回到固陽后傷重不治而亡），俘虜偽軍團長1人，而根據日軍內部機密文件的統計，12月下旬日軍在包頭外圍所發動的冬季反擊作戰總共戰死軍官11人、準士官以下戰死196人，另外有軍官30人、準士官以下464人戰傷，合計死傷701人，若加上12月中旬日軍的傷亡以及國軍在包頭城內給日軍造成的死傷，包頭戰役日軍理應死傷近千名。第35軍是役傷亡2000余人，雖然第35軍此戰未能收復包頭，但這次攻擊有利于華北抗日根據地的鞏固，吸引了晉北、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得以實行。在戰略上已起到了巨大作用。
中國軍隊這次行動卻給日軍以極大震動，他們根本就沒有料到傅作義集團會有實力對日軍展開攻勢。日本駐蒙軍為了防止傅作義集團再次襲擾包頭，于1940年1月15日制定了旨在殲滅傅作義集團的“八號作戰”。鑒于五原在包頭以西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。而日軍大本營在當時并未考慮到要占領綏西，所以雖然在1月24日的回文中批準了此項計劃，但是命令出擊部隊在達成目的后應立即撤回原防地。這一決定最終導致了傅作義利用日軍主力在達成任務后相繼撤回的機會，實施反攻，并最終取得了綏西戰事的勝利。
綏西三戰役，又稱第八戰區冬季作戰、綏西抗日、綏西作戰，是1939年12月至1940年4月在中華民國綏遠省中西部進行的系列戰役。在該戰役中，由傅作義統率的國民政府軍，對陣日軍及蒙疆聯合自治政府下屬的蒙古軍。日軍的目的是從綏遠向西進攻，在綏西與寧夏建立回族的傀儡政權，方便日本統治。作戰副司令傅作義，第三十五軍（傅作義兼，新三十一師、新三十二師、第一〇一師、五臨警備旅）、第八十一軍（馬鴻賓，第三十五師、第十七集團軍騎兵第一、二旅、新編騎兵第三師），騎兵第六軍（門炳岳，騎兵第七師、新編騎兵第四師、暫編第十師）、東北挺進軍（馬占山，新編騎兵第五師、暫編騎兵第一師、暫編騎兵第二師、暫編騎兵第三師）、綏遠游擊軍（馬秉仁，游擊第一師、游擊第二師、綏遠游擊軍第一、二旅）、察哈爾游擊隊。第八戰區奉命協助第二戰區北路軍團圍攻綏遠省內之敵軍，分別向包頭與歸綏沿線鐵路進行反攻。1939年12月20日，國軍第三十五軍攻入包頭，擊斃兩個日軍騎兵聯隊長，日方隨即由平綏、安北、固陽三方面持續增援，雙方激戰兩日後國軍撤退，形成有效牽制。1940年1月28日，日軍以第26師團、獨立第2旅團主力，向綏遠方面黃河沿岸進攻，突破國軍烏鎮、黃河沿岸陣地。2月2日，日軍攻陷五原。2月12日，國軍採取機動襲擊，擊退五原附近之敵軍。4月1日，日軍部分兵力被迫東調，國軍乘勝追擊克復五原。日本軍隊作戰序列：第26師團（黑田重德），獨立第11聯隊、獨立第12聯隊、獨立第13聯隊、砲兵第26聯隊、騎兵集團第1旅團、第13聯隊、第14聯隊。
戰役由國軍率先發動，作為冬季攻勢的重要組成部分之一，其目的是為了配合第五戰區冬季作戰，同時緩解華北北部的戰局。該系列戰役從國軍圍攻日軍占據的包頭城開始，由于攻城難度遠遠大于預期，使得城內部分據點未能攻克，加之日軍援軍大批趕至包頭城，使得國軍被迫放棄包頭西撤。日軍隨后對國軍展開報復性攻擊，并接連攻克了黃河以北的諸多城池，國軍隨后逐漸轉守為攻，雙方進入僵持狀態。日軍此后對綏西戰場估計嚴重不足，僅派遣蒙古軍以及臨時組建的綏西警備隊負責當地的防守任務。傅作義趁機指揮軍隊重新將日軍逐出綏遠西部，綏西三戰役宣告結束。此次戰役之后，日軍再無對綏遠西部的大規模軍事行動，而國民政府方面則將此次系列戰役定為“一次重大勝利”并加以宣傳，借此鼓舞全國抗日力量的士氣。
1939年抗日戰爭形勢圖，華北大部分地區被日軍攻占，但綏西地區仍被中國軍隊控制
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后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。
占領包頭之后，先后成立了“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，在攻占南京以后終于認識到“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后方實質的整備，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”。
由閻錫山所主導的晉系，一直以來都是以山西省五臺縣人為骨干的一批政治軍事勢力。傅作義在這個派系中屬于例外，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，主要是憑借軍功，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。閻錫山此后重新主政晉綏，一直想找一個機會撤換掉傅作義，但苦于沒有借口，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。
此后在吉縣古賢村，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，蔣中正在陜西武功召開軍事會議，決定傅作義在后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”。
1939年初，傅作義率部脫離閻錫山返回河套地區。1939年9月，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日召開的南岳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”。1939年10月至11月，鑒于日軍實施在欽州灣登陸發動桂南會戰，蔣中正下令，為牽制駐蒙軍日軍第26師團南調，以減輕對南方戰場的壓力，傅作義部出擊安北縣縣城大佘太的日軍。傅作義認為進攻大佘太并不能有效牽制日軍，此時應該奇襲包頭，才能制造聲勢，吸引日軍注意。
日軍于1937年12月開始組建“駐蒙兵團”，并于1938年1月8日編成。該兵團初期只轄一個師團和五個后備步兵大隊，此后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。活動范圍嚴格限于已占領地區，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）須經批準”。1938年7月4日，駐蒙兵團改編為駐蒙軍，兵力約2萬5千人，編入北支那方面軍作戰序列。從事蒙疆方面之作戰及占領地域警備任務。司令部駐張家口。當時司令官為岡部直三郎中將。
駐歸綏、包頭的日軍為騎兵集団，集團長為中將，下轄、騎兵第4旅團，每個旅團下轄兩個騎兵聯隊及機槍隊。滿員的騎兵旅團定員為5600人，配備軍馬5668匹、步騎槍3705支、重機槍12挺、野炮36門、速射炮4門及戰車7輛等武器裝備。當時，騎兵第4旅團已配屬華中派遣軍第2軍。下轄騎兵第13、第14兩個聯隊及機槍隊，并有集團直屬的騎炮兵聯隊、戰車隊、機械化汽車步兵大隊、輜重隊等。分別駐防包頭、薩拉齊、固陽、安北（即大佘太）。集團長率騎兵集団司令部駐包頭西前街的綏區屯墾督辦辦事處院內（今東河區通順街與勝利路交匯口東北側，包頭市重點文物保護單位“綏西屯墾督辦公署舊址”），轄熊川長治中佐指揮的騎炮兵聯隊，直轄一個騎兵中隊，一個獨立戰車隊，一個速射炮部隊，并附帶指揮偽蒙軍2個師以及百余名憲兵和間諜。這些部隊在包頭城內構筑了大片的以鋼筋混凝土為主要原料的碉堡群。固陽還駐扎著少將的(實際上1939年9月由少將繼任）和偽蒙軍第8師。1939年10月，騎兵第1旅團增編了騎兵第71聯隊，轄4個摩托化中隊，1個機槍中隊。
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，駐扎在包頭以西中灘地區公廟子一帶，并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，主要部隊為傅作義自太原會戰之后1939年元月撤回綏西的第三十五軍。在此之前的三十五軍成立了第73師和第101師，后經第73師被閻錫山扣留在山西的第二戰區。第三十五軍在綏西擴編了新編第31、第32兩個師。
傅作義任第八戰區副司令長官，管轄的部隊總兵力超過十三萬：
*門炳岳的中央軍嫡系騎兵第六軍（僅轄騎兵第7師）
*白鳳翔的熱河抗日先遣軍（轄四個騎兵旅，一個步兵旅，17300多人）
*新騎3師：師長井得泉（后為梁立柱、劉萬春），偽蒙軍第2師第6團反正.
*新騎4師：師長石玉山，參謀長王憲章，大漢義軍騎兵第1旅反正。
*新5旅：安華庭。紅格爾圖戰役結束后，為大漢義軍一部，駐南壕塹，起義反正。后改編為暫10師：師長安榮昌，梁立柱，王贊臣。
*新6旅：王子修。紅格爾圖戰役結束后，為大漢義軍一部，駐南壕塹，起義反正。后改編為暫11師：師長王子修（后為楊維垣、劉景新），參謀長 王金銘（新堂）
*綏遠游擊軍：抗戰初期，綏遠空虛，李大超帶綏遠國民兵團移駐包頭，以國民兵團為基礎，成立了綏遠游擊軍，李大超任游擊軍司令，副司令馬秉任，李敬為參謀長，繼而李英夫由山西返綏，遂編組游擊軍。1938年下半年傅作義率部到晉西北河曲，先派馬秉任帶李榮驊、劉萬春、李思溫、許書庭、李吉祥、曾子謙、郄莘田、柴致堂等干部去綏西河套，重行整編游擊軍。整編后，游擊軍司令馬秉仁、參謀長李榮驊、政治部主任崔載之，所屬兩個旅，每旅3個團。游擊軍后改編為暫17師，師長王雷震（后為劉萬春、朱大純），副師長楊維垣，參謀長劉建義（后為成於念）。
*五臨警備旅：綏西屯墾軍改編。旅長徐子珍（徐庭儒）。后改編為203旅，旅長于霖瑞。新5旅與203旅合編為暫10師，師長于霖瑞（后為張惠源），副師長王崇仁，參謀長任雙齊
后新騎3師、新騎4師合并為騎4師，師長劉萬春，副師長劉春芳，后劉春芳接任該師師長。
暫3軍、暫4軍及所屬各師均于1940年夏改編而成。
對于這場戰役，傅作義做出了詳細部署，每一只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，并殲滅了東、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斗。19日又在夜間偷襲駐扎在薩縣的日軍。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軍的動向后，于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，中國軍隊已于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。但在勘察了城墻的詳細情況后，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。戰斗隨即打響，中國軍隊一舉攻下西北門。隨后日軍被驚醒，并展開抵抗。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，但被阻于城外。而駐守城外先令營的蒙古軍主動派人聯系第93團，表示不想卷入戰斗，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后對包頭城展開了進攻。炮兵則在黃草洼附近占領陣地。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，隨后第91團主力亦在接受駐北營盤的偽蒙軍投降后，跟隨五臨警備第1團之后入城拓展陣地。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斗而膠著于東北角而未能入城。首先進城的僅第93團1個營，另2個營被阻在城外，與團部失去聯系。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后并未入城，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，并派遣第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，并豎起了國旗。包頭當地的百姓在得知中國軍隊進城之后紛紛送茶送水，慰勞大軍。但是由于東南角日軍碉堡配置錯綜復雜，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團與綏遠游擊軍第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。郁傳義隨后率部并終于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斗中受重傷而被部下救回固原，殘部300余人在大隊長的指揮下拼死向包頭突進，于21日凌晨時分沖到包頭城西北門外，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，隨后被全部殲滅。
當日軍騎兵第13聯隊被中國軍隊擊敗后，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，其余部隊待集結完畢后陸續向包頭開進，同時還命令靠近包頭的偽蒙軍各部救援包頭。在包頭的戰斗相持入夜后，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，一舉突破位于城內前街的五臨警備第1團陣地。中國軍隊隨后組織反擊，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架戰斗機掩護，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，便轉而對位于黃草洼的新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并未全部將部隊帶出，由于并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游擊軍的外圍阻擊，其后來到包頭附近，由5架戰斗機作掩護，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后，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，另一部直接向黃草洼新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。日軍在奪取黃草洼后又將矛頭指向了西北關，并發生激烈戰斗。戰斗開始之后，中方第101師也感到西北關加入戰斗，雙方一直混戰到入夜后。
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斗，直至日軍在中午時分停止攻擊而結束。
鑒于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后，派出了大量戰車、汽車尾追，但隨即遭到殿后的第101師纏斗，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后，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，于是立即加入戰斗，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。而位于包頭的日偽軍，雖然已集結兵力近萬人，卻因前次追擊時受到阻擊而并沒有采取進一步行動。
24日凌晨，第35軍各師陸續撤至中灘地區，并返回了綏西。進攻包頭的戰役至此結束。第35軍斃傷了日偽軍3000余個兵員，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，并擊斃了1名日軍聯隊長小林一郎中佐（另有騎兵第13聯隊聯隊長小原一明大佐重傷），俘虜1名偽軍團長。而根據日軍內部機密文件的統計，12月下旬日軍在包頭外圍所發動的冬季反擊作戰總共戰死軍官11人、準士官以下戰死196人，另外有軍官30人、準士官以下464人戰傷，合計死傷701人，若加上12月中旬日軍的傷亡以及國軍在包頭城內給日軍造成的死傷，包頭戰役日軍理應死傷近千名。第35軍在是次戰役有2000余人傷亡，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。
傅作義進攻包頭的這次行動給日軍以極大震動，因為他們并沒有料到位于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，于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”。由于五原在包頭以西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。而日軍大本營并未考慮到要占領綏西，所以在1月24日的回文中雖然批準了此項計劃，但是命令出擊部隊在達成目的后應立即撤回原防地。
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個師在集結于包頭周圍，并計劃于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，于是下令己方軍隊避免與日軍正面決戰，采取游擊方式各路打擊日偽軍。傅作義把第八戰區副司令長官部從五原撤到臨河以南，繼而轉移到伊盟沙梁地區。寧夏的第35師回防。
1940年1月27日，日軍駐蒙軍司令官岡部直三郎中將前往包頭，召見黑田、小島等高級將領策劃進攻綏西的相關事宜。會上決定兵分三路進犯綏西：
*以第26師團主力2萬余人取道后山經固陽、大佘太、烏布浪口進綏西地區進攻五原。
*小島吉藏的騎兵集團、第2混成旅團、王英的偽綏西自治聯軍1.5萬余人取道前山，大部從西山咀，少部分從黃河南岸經馬七渡口入侵。
*偽蒙軍3個師經中公旗進犯兩狼山、太陽廟
傅作義部署：
*騎兵第六軍軍長門炳岳指揮騎7師、新騎4師、新32師在西山咀、馬七渡口、牛頭圪旦迎擊小島吉藏的左翼入侵之敵，阻止其與主力會合；
*第八十一軍第35師在烏不浪口、烏鎮迎擊敵主力第26師團
*第三十五軍之第101師在烏鎮以東，新31師在萬和長與烏不浪口，準備夾擊日軍第26師團。
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，并于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后，先后撤入狼山。同時五原縣縣長李吉祥中校亦于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。隨后日軍兵分兩路，2月4日占領了臨河，2月6日占領陜壩、黃羊木頭。
在這一階段的戰斗中，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并沒有做到這點，大多數戰斗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。
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，并召開會議，組織攻取五原、收復后套的戰役。會中決定，除第35軍與新編第6旅之外，其余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，并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托，機動打擊日軍。同時派出數百個戰斗小組，實行游擊戰術，到處襲擊日偽軍。會后，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。
此時的日軍由于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，并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道“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。于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，日軍又于2月17日由雁北調來一個1000余人的警備隊，使駐五原的日偽軍兵力達到1萬余人。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范，不要依賴日軍救援。
當傅作義上將獲悉日軍主力陸續東撤后，便擬乘留守五原之敵立足未穩之機，將日軍誘出五原后分割包圍殲滅，一舉收復五原。于是，傅上將命令第35軍集中于鄰家地以西地區，準備殲敵，命令馬秉仁中將率領的綏遠游擊軍佯攻五原，誘敵出擊。之后以小部隊節節阻擊并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、陜壩收復，于是傅作義命令新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、陜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，便將偽軍各部集中于五原。上午8時，綏遠游擊軍按計劃行事，日軍步炮混成聯隊以500余人分乘汽車40余輛出動，向綏遠游擊軍發起反擊。日軍在前進至五臨公路南側時即已發現了埋伏于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斗，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后，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后竟然擅自脫離部隊，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，被迫改為防御戰，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。于是第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后，明白了中國軍隊的伏擊企圖，于是立即收縮部隊，尋機撤回了五原。而負責奪取五原的中國軍隊綏遠游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后，傅作義上將總結經驗教訓，對部隊進行調整后，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。經過與部下商討后，傅作義謝辭了蔣中正的任命，表示愿意繼續堅持在綏西抗日。隨后，傅作義對之前的戰役進行了總結，懲辦了部分將領，并在此之后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后也重新調整了部署，以桑原荒一郎中佐指揮的特務機關和偽蒙警備隊1000余人駐守五原新城（步炮混成聯隊在第一次防守五原得勝后也撤出了五原，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。
1940年2月下旬，傅作義部署收復五原軍事計劃，決定利用黃河解凍流凌、道路翻漿泥濘的時機，采取掏心攻城戰術向日寇發起反攻。3月15日，氣候漸暖、大地冰消、黃河解凍，中國軍隊參戰各部開始行動，并于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并俘獲偽軍士兵取得通行口令后成功抵達五原城門口，隨后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余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，其余基本被肅清。此后日軍多次反撲，并使用了毒氣，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斗，終于突入平市官錢局和屯墾辦事處的日軍據點，隨后第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、前后補紅和廣盛西的日偽軍發動了攻擊。戰斗進行的很慘烈，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后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余人逃出五原。
綏遠游擊軍在代理司令李作棟少將的指揮下亦于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后，隨即向南潰敗。李作棟少將在得知當面情況后，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梁守敵，阻擊日軍的增援部隊。第302團團長郭景云上校奉命后于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小時戰斗即順利攻占橋梁，并俘虜偽軍官兵50余人，隨后郭團長將橋梁破壞，并在河南構筑防御工事以阻擊援敵。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，并破壞了橋梁。當五原舊城為新32師收復后，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，并突破了新6旅的防線，架設浮橋，搶修五加河上被破壞的橋梁。郭景云上校率領第302團予以阻擊，使日軍渡河受挫。隨后日軍數次組織強攻，曾一度攻上河堤，郭景云立即組織精壯之士與日軍展開肉搏，郭景云雖連中兩彈，但是仍舊堅持不下火線，終于將日軍趕回了河北。隨后，董其武師長命令第303團接替第302團防務，繼續阻擊日軍，并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余人會合。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系，順利渡過烏加河逃回了包頭。事后，安華亭少將為了掩蓋故意放走偽軍高級將領的事實，命令部下將橋梁炸毀以掩過飾非。但此事最終被部下告發，安華亭被撤職查辦。
日軍在失守五原后，于3月22日發布第425號作戰命令。駐蒙軍司令官岡部中將于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于五加河畔，并以猛烈的炮兵轟擊中國軍隊第101師第301團和第303團的防御陣地。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。隨后日軍從側翼包抄第303團防御陣地，并奪占橋梁，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（后為當地居民救回性命），第303團被迫放棄陣地向后撤退。傅作義立即命令第101師后撤，被迫再次放棄五原。
日軍在突破五加河第101師防線后兵分兩路，一路追擊撤退的中國軍隊，由于中國軍隊撤退及時，日軍未能捕捉到任何蹤跡。另一路日軍直接向五原前進，并于3月26日中午時分重占五原。但是日軍這次占領五原后，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。這一舉動終于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尸體搜集火化，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余人，其中擊斃日軍總指揮官、皇族水川伊夫中將等軍官300余人，擊斃日兵1100余人，生俘日軍指揮官、警務指揮官和偽軍師長等50余人，斃傷偽蒙軍3000余人，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個多月的戰斗，大小作戰57次，終于打敗了日軍及日偽軍，共殲敵1萬余人，并最終收復五原，第8戰區的冬季攻勢自此勝利結束。
1940年4月6日，重慶大公報發表了題為“五原戰役開創最后勝利的先路”的社論，高度贊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‘青天白日勛章’”。對此，傅作義于5月23日發表了辭勛電，并在電文中高度贊揚了所部官兵艱苦抗戰、奮勇殺敵的愛國精神。傅作義公開辭勛后，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，作為對其綏遠戰斗的嘉獎。而傅作義直到抗戰勝利后才接受青天白日勛章。
在包頭戰役中被中國軍隊俘虜的于振贏，后因功升任綏遠游擊部隊的師長。
在日軍方面，駐蒙軍司令官岡部直三郎中將對于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，岡部中將對于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。日本投降后，國民政府于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，并解下佩刀雙手奉上，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。
從此日軍限于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，之間小戰斗頻繁不斷，并時常策動偽軍反正，有力地牽制了駐蒙軍兵力，使其不能將部隊使用于華南地區。
綏西戰役，是1940年中國國民革命軍在第八戰區發動的冬季攻勢中的第二場戰役。戰役由日軍發動，是以消滅中方軍隊有生力量為目的，針對包頭戰役的一場報復性戰役。戰役以日軍攻占綏遠西部多座城池宣告結束，中方軍隊在戰役中并沒有與日軍進行過多的正面接觸，總體以游擊消耗為目標，但由于作戰方針傳達不到位，以至于遭受了很多不應有的損失。但日軍在隨后以偽軍為主要守城部隊，這也為中方發動五原戰役提供了條件。
1月27日，日軍駐蒙軍司令官岡部直三朗中將秘密前往包頭，召見黑田、小島等高級將領策劃進攻綏西的相關事宜。會上決定:以第26師團主力2萬余人取道后山進人綏西地區；以騎兵集團及配屬之偽蒙軍3個師、偽綏西自治聯軍1.5萬余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。
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。傅作義就此決定避免與日軍正面決戰，采取游擊方式各路打擊日偽軍。他以第35軍所屬3個師為機動部隊，準備與日軍主力展開運動戰，靈活機動，尋找機會殺傷日軍；以騎兵第6軍及其配屬部隊在西山咀和馬七渡地區阻擊，以遲滯日軍行動，隨后擾亂日軍補給；以第81軍及其配屬部隊利用在烏鎮、烏不浪口的既設陣地，在正面阻擊日軍并搞清日軍主力后轉人狼山開展游擊。總戰略方針是引誘日軍深入，切斷其補給，以期達到各個擊破的目的。