1939年冬季戰鬥開始後，傅作義決定在戰略上各部同時展開攻擊，以牽制各地日軍，主力則奇襲包頭。他將所部兵力分成4路，以東北挺進軍馬占山部為第1路軍，向歸綏以東日軍襲擾，因該軍僅千餘人，素質又欠佳，故頗少戰果。門炳嶽騎6軍為第2路軍，12月10日，騎6軍由五原出發，向歸綏、薩縣間襲擊日軍，18日破壞薩縣附近鐵路數段，23日一度攻入薩縣城。以馬鴻賓第81軍為第4路軍襲擊安北，阻敵增援。第3路軍為攻擊軍主力第35軍，該軍由傅作義率領，13日由五原出發，進攻包頭。
第35軍經5夜秘密行軍，抵達包頭城下，日軍當時全然沒有發覺。19日，日軍駐包頭騎兵集團司令官小島吉藏雖獲悉傅作義部準備攻擊包頭，但對中國軍隊的方位作了錯誤判斷。20日晨，小島吉藏派炮騎兵聯隊長熊川長致率主力出城迎戰傅作義軍，而傅軍孫蘭峰新31師便隨即乘虛鑽入包頭城內，迅速抄襲了日軍騎兵司令部，繳獲大量文件和戰利品。張家口的駐蒙軍司令官岡部直三郎得知包頭情形後，急派薩縣的騎兵第1旅團增援包頭。安北的騎兵第14聯隊聯隊長小林一男與固陽的第13聯隊聯隊長小原一明自動率主力支援包頭日軍，在包頭城外受到第35軍主力阻擊，第13聯隊傷亡過半，第14聯隊聯隊長小林一男被擊斃。熊川長致率部白跑一趟後，於黃昏率部返回包頭，此時，晉北第26師團主力因晉軍趙承綬部忙於反共，遂儘量抽調增援綏西。22日，日軍向包頭城內外第35軍進行總反攻，至23日拂曉，中國軍隊撤出包頭，返回原防地。
1940年1月下旬，日軍為消滅傅作義部主力，調集步炮兵約5個聯隊、汽車1300餘輛，乘冬季結冰，使用機械化部隊擊退中國軍隊。2月2日，攻陷傅軍根據地五原，4日佔臨河。傅部實行空室清野，一部向敵後襲擊，主力退入寧夏境內和伊克昭盟。日軍雖佔據了五原等要地，但與傅軍主力決戰已不可得，固守則兵力不足，不得不自動向包頭方面撤退。中國軍隊在日軍主力東撤後，收復了臨河、善壩等地，但五原仍在日偽軍掌握之中。留守五原的有偽蒙軍4個師，偽警備軍，另外有日本軍官、特務、文職人員570餘人。
傅作義
3月20日晚，傅作義親率主力奇襲五原，至3月22日徹底消滅日偽軍，擊斃綏西警備總司令水川信夫中將、特務機關長桑原中佐以下日偽軍3000餘人。3月底，日軍由平綏線增兵北犯，重新佔據已遭徹底破壞的五原，但已無餘力固守。4月1日，傅軍再度恢復五原，至此，後套已全無日軍蹤影。綏西戰役前後達4個多月，與日軍作戰57次，五原三失三得，經過反覆較量，終於收復五原及綏西地區，多次重創日軍，使日軍此後再無侵犯綏西地區的行動。在華北地區，冀察、蘇魯戰區也參加了冬季攻勢，破壞津浦、平漢等交通線，但效果甚微。
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