二十四日凌晨一点，经过周密计划安排，第三十五军傅作义部进攻百灵庙、收复国土的战斗全面打响，伪蒙军在日本特务机关长盛岛角芳的指挥下，以强大的优势火力阻止晋绥军前进的步伐。

三小时后，傅作义果断下令，迅速变阵，集结各旅主力，强攻敌两翼得手，攻击部队迅即撕破敌军防线，深入各敌阵地，抵近作战，消除了敌人优势炮火的威胁。

黎明前夕，傅作义深恐敌战机助战，急令全军放手一搏，本次战役总指挥骑二师师长孙长胜、副总指挥步211旅孙兰峰旅长亲自赶赴第一线指挥作战，袁庆荣指挥的炮兵团冒死前移，对敌军阵地展开猛烈轰击，三十五军特务营乘坐九辆火炮牵引车悄然突击，自百灵庙东南山口鱼贯向敌冲击。

经过反复的惨烈搏斗，特务营终于突破敌阵，突入到百灵庙，敌军全线动摇，兵败如山倒，日本特务机关长盛岛角芳不顾一切率先逃跑，日军高级军事顾问烟草谷与伪蒙军第七师师长穆克登宝也不甘落后，分乘汽车，一路狼狈向东逃窜。

上午九点三十分，傅作义指挥的晋绥军将士尽数收复百灵庙及周边地区，取得歼敌八百、俘虏近千的辉煌战绩，缴获敌军重炮三门、电台三部、轻重机枪和步枪数百支，以及两万袋面粉、大批弹药物资和燃油，自身伤亡仅三百余人，绥远抗战中最后的也是最痛快淋漓的一战自此结束。

喜讯传出，全国欢声雷动，被压抑已久的各地民众举行盛大庆祝游行，抗日名将傅作义的名字响彻九州。

经此一役，伪蒙军损失惨重，元气大伤，不得不急退百里，气焰尽消。

关东军司令部没想到傅作义麾下的晋绥军如此骁勇强悍，兼之南京中央军四个主力师正在徐徐北上，增援绥远一线，关东军试图通过占领绥远、威慑压迫华北的阴谋彻底破产，只能命令增援各部停止前进，有序后退，与士气如虹的晋绥军遥遥对峙，随后竟然厚颜无耻地发表声明，声称此次蒙军攻绥纯属防共和自卫，并非有其他目的，并警告说“中国军队万一因此而累及满洲国，或发生中国全土濒于赤化之危殆事态时”，关东军即采取适当处置行动。

关东军的声明发表的次日，中国外交部在蒋介石的授意下，再次发表措辞强硬的声明：蒙伪匪军悍然犯绥，不问其背景与作用若何，决予痛剿，中国领土主权，不容任何第三者以任何口实加以侵犯或干涉，万一发生此种非法侵犯，必竭全力防卫。

日本当局顿感情况不对，关东军和华北驻屯军一面飞报国内大本营，一面派出各路密使，分赴北平、太原、济南等地，中日关系骤然紧张，欧美列强也逐渐发现中国政府在对日问题上的态度变化，纷纷派出使节，拜访南京政府和各路军阀，一时间整个京沪和华北地区政客如鲫，往来穿梭，数以百计的记者涌向华北和绥远。