傅作义收复百灵庙，毛泽东和朱德热诚祝贺。
蒋介石阻挡着红军抗日的道路，日伪军则在积极地准备侵占绥远。1936年春天，日军指使伪满军侵占察哈尔北部的六个县，派遣大量军官训练伪军部队并指挥作战，为伪军补给大量军需品。日军命令蒙奸德王的部队驻扎嘉卜寺，李守信伪军驻扎张北和庙滩，王英伪军驻扎尚义，伪蒙古军第七师驻扎百灵庙，并抽调五千名伪满骑兵从热河东部开驻察北多伦和平定堡地区。绥远危急。
日伪发起进攻之前，关东军参谋长板垣征四郎来到绥远的省会归绥。他和绥远省政府主席兼第三十五军军长傅作义见面，先把傅作义恭维一番，然后要他“改善日华关系”，并说“大日本帝国将给予全力支持”。傅作义正告板垣：“华北是中国的领土，决不许任何人出来搞一个独立局面。内蒙古和绥远都是中国的领土，不许任何人来分割独立，也不许任何人来侵占蹂躏。”板垣扫兴而去。
8月7日，李守信的伪蒙军约两万人进犯绥远东部的陶林。三天后，日军从热河开抵张北。对于绥远的抗战，毛泽东寄厚望于傅作义，8月14日给傅作义写信说：傅作义作为北方的领袖，负有保卫绥远、西北和华北的责任，红军和全国人民也要负责。如果傅作义能毅然抗战，红军一定会做他的后援。傅作义本来有心抗战，毛泽东这封信坚定了他的信心。第二天，伪军进犯集宁，被第三十五军打退。
11月5日，日军在嘉卜寺召开军事会议，决定集中兵力攻打绥远东部，企图在侵占红格尔图以后，进逼绥远省会归绥。
傅作义接到侦察报告，密召骑兵第一师师长彭毓斌和步兵第二一八旅旅长董其武，向他们面授机宜，命令他们快速集结兵力。
15日早晨，五千多名日伪军在野炮、装甲车和飞机掩护下，向红格尔图第三十五军阵地发动猛攻。守军英勇抗击，军民戮力同心，战斗情绪高涨。此后三天内，日伪军连续猛攻，都没有得逞。
傅作义不满足于抵抗，他要反击。他来到集宁，命令董其武旅主动出击。19日凌晨两点钟，董其武指挥三个步兵团、一个骑兵团和炮兵营，将日伪军包围，发起突袭。敌军仓促应战，激战到拂晓，狼狈溃逃。
红格尔图战役打了七个昼夜，打退了日伪军的进攻，摧毁了田中隆吉和王英的指挥所，缴获大量军用物资。王英仓皇逃跑，连自己的马车也没来得及带走。
日军惟恐傅作义的部队摧毁他们的伪政权，急忙派王英的部队进占大庙，增强百灵庙外围的防御力量，又命令伪蒙军第七师在百灵庙构筑工事，积极备战。他们增派两百多名日本军官，补充到伪军中任指导官。另外，还准备抽调日军和伪满军从赤峰开往多伦、商都和百灵庙等地，寻找机会进攻绥远东部和北部。
傅作义得知日军的企图，决定抢在日伪军进攻前先发制人，派部队远距离奔袭，出敌不意，收复百灵庙，捣毁敌军巢穴。他在归绥新城召开军事会议，决定集中三个骑兵团、三个步兵团和炮兵、装甲车分队一部，由骑兵第二师师长孙长胜任前敌总指挥，步兵第二一一旅旅长孙兰峰任副总指挥，发动收复百灵庙的战役。
参战部队向百灵庙以南三十五公里处的二分子镇附近集结。夜间，天寒地冻，气温低于摄氏零下二十度，积雪没过了战士们的膝盖，部队艰难地快行军，开到敌军阵地前沿，在0点开始攻击。由于部队行动秘密，日伪军事先毫无察觉，听见枪声大作，才慌乱进行抵抗。
进攻部队向纵深突击，在敌军阵地上，日本特务头子胜岛角芳拔刀督战，又下令给女儿山阵地增送十多挺轻重机枪。敌军火力加强，突击部队受阻。孙长胜明白，天亮后，敌军会得到地空两方面的增援，务必在拂晓前歼灭敌军。他命令山炮营向前推进，集中火力摧毁女儿山的敌军机枪阵地。他又派出装甲车，掩护步兵攻击前进。
敌军阵地很快就被强大的炮火摧毁，装甲车和步兵从东南土山口冲入，骑兵团也攻占了北山，控制了飞机场，切断了敌军后路。这时，二十多名伪蒙军官兵起义，掉转枪口向日军指挥官射击。胜岛角芳和伪蒙军师长穆克登宝见大势已去，慌忙乘汽车逃走。
攻击部队乘敌军混乱，展开分割包围。激战到上午，全歼日伪军，收复了百灵庙，共毙敌三百多人，其中日军二十多人，伤敌六百多人，俘敌四百多人，缴获大量武器装备。
几天后，四千多名日伪军反攻百灵庙，傅作义的部队将敌军击溃，毙伤五百多名日伪军，俘虏两百多名，击毙伪军副司令雷中田。又过了几天，中国军队收复了大庙，百灵庙战役到此结束。
收复百灵庙的消息传到全国，各报纸纷纷刊发号外。人心振奋，万众欢腾，各地人民发起了援绥抗日运动。国内外向绥远前方将士祝贺与慰问的电信，如雪片飞来 北平、上海、天津、西安、武汉等大城市的人民团体代表，携带慰问品和捐款，到前方慰劳军队。全国各界给前线部队捐赠的慰问金总共两百多万元。南京救国会推动国民党政府中的上层人士如孙科、张继等人发起援绥抗日运动，在南京召开各界人士参加的援绥大会，成立了“首都各界援绥后援会”，使南京的救国运动出现新高潮。
毛泽东和朱德给傅作义发来贺电：“足下孤军抗日，迭获胜利，日伪军不能越雷池一步，消息传来，全国欢腾，足下之英勇抗战，为中华民族争一口气，为中国军人争一口气。”