八路军迅速完成攻击部署。炮兵进行了猛烈的炮火准备，坦克部队引导步兵发起了排山倒海的总攻。

战斗毫无悬念。日军的防线一触即溃。八路军战士如同猛虎下山，冲入敌群，与顽抗的鬼子展开白刃战。

楚云飞的新三团在此战中表现出色。虽然装备尚未完全配齐，但官兵们憋着一股劲，战术灵活，勇猛无比。楚云飞亲临一线指挥，极大地鼓舞了士气。

经过数小时激战，包围圈内的日军大部被歼。师团长吉本贞一中将在指挥部被攻破时，试图切腹，被冲进来的八路军战士生擒。参谋长小野大佐被击毙。

此战，八路军毙伤日军两千余人，俘虏包括师团长吉本贞一在内的官兵八百余人，缴获大量武器装备和物资。绥远日军主力基本被消灭。

与此同时，八路军其他部队横扫绥远全境，清剿残敌，接管城镇。