1936年11月5日，日寇决定集中兵力向绥东进犯，他们一厢情愿地以为不费多大力气就打开进攻绥远的门户，攻占省会归绥与绥西包头。
12日，日伪以王英部4000余人为主力，进攻陶林的红格尔图。此时晋绥军驻守红格尔图的只有第218旅436团3营的一个连、骑兵第2团的两个骑兵连共200余人，加上当地自卫队也不过300余人。14日，日伪军在飞机大炮的掩护下开始猛烈攻城，被守军击退。随后全部日伪军5000余人连续7次发动进攻。
傅作义于15日夜亲赴平地泉（集宁）前线，命令中国守军坚守阵地,同时，傅作文认识到：“以绥远现有之兵力，若分路迎击，必至兵力分散，处处薄弱，又蹈过去长城抗战各不相及之覆辙，难期成果。集结优势，先击一路，再及其他，期能各个击破。”

傅作义任命骑兵第1师师长彭毓斌为前方总指挥，步兵第218旅旅长董其武为副总指挥，调集第35军及骑兵第1师、第2师等部共约3万人，歼击进犯红格尔图的伪军。17日夜，彭毓斌、董其武率部跃进到红格尔图西南丹岱沟一带。18日晨，出敌不意发起攻击，敌军仓促应战，最终向西北方向溃逃。经过一个昼夜的激战，19日晨敌人全线溃败。此役歼敌1700余人，俘虏300余人，摧毁了日伪军田中隆吉、王英的指挥所，缴获大批军用物资。伪军王英部败退商都。
21日，日本派3架飞机到红格尔图上空轰炸，其中1架日机被守军击中油箱后焚毁。至此，日军谋取绥远的第一步计划宣告失败。
红格尔图战役后，傅作义侦知百灵庙是绥北最大的喇嘛庙，庙宇金碧辉煌，庙内驻有日本特务机关“大蒙公司”和“稽查处”等，由伪蒙军第2军7师穆克登宝部1800余骑兵驻守，另有德王所属兵力700余人和日本人400余，总数在3000余人。


  • 傅作义决定展开主动进攻作战。11月20日，傅作义在绥远新城秘密召开百灵庙作战军事会议，布署奔袭百灵庙。22日,傅作义集中3个骑兵团、3个步兵团及炮兵、装甲车分队一部，令骑兵第2师师长孙长胜、步兵第211旅旅长孙兰峰任前线正、副总指挥。
    24日零时，晋绥部队冒着零下42度的严寒，向百灵庙发起攻击。伪蒙军第2军7师扼守女儿山进行阻击。日本特务机关长胜岛角芳亲自督战，并向女儿山阵地增派10余挺轻重机枪，以密集炮火阻止部队前进。24日晨，傅军前敌指挥部命令山炮营进至百灵庙东南高地，集中火力猛攻女儿山，并配以预备队第421团1营的装甲车队，向东南山口冲击，日伪军阵地被突破。刘效增团、张成义团亦向敌军包围过来。
    与此同时，骑兵团攻占北山，控制了飞机场，截断敌人后路。此时，伪蒙军20余人战场起义，掉转枪口向日指挥官射击，胜岛等狼狈逃窜，傅军乘胜追击。经九个半小时的激战，伪蒙军一部由东北方向败退大庙，中国军队收复百灵庙，歼灭伪蒙军第7师大部1000余人，俘400余人。晋绥军伤亡300余人。12月3日，经过3个多小时激战，又击退日伪军4000余人对百灵庙的反扑，歼敌700余人，王英部副司令雷中田也被击毙。
    百灵庙大捷是中国军队自1933年长城抗战以来主动出击取得的唯一次完全胜利，它摧毁了日伪军在绥北的一个重要政治与军事基地，破坏了日伪夺取绥远的整个布署。
    在收复百灵庙的第二天，陈诚奉蒋介石命飞到绥远，与傅作义商讨进一步攻取察西商都的计划。在与陈诚、阎锡山商讨后，傅作义决定继续进军绥北，收复锡拉木楞庙（大庙）。
    12月4日，傅作义召开会议，布署大庙作战行动。命令孙长胜为前敌总指挥，配属骑兵两个团、步兵李思温团和炮兵1个营、装甲车4辆、汽车1队的兵力，进行收复大庙作战。6日，孙部在四子王府北黄草洼一带截断伪军王英部。此时，傅作义又派出独立第7旅马延守部2个团从乌兰花以北向敌进逼。7日，李思温团向伪军石玉山部驻地哈拉伊力根发起攻击，8日加以包围，迫使石玉山旅战地反正。9日，李思温团迅速占领了大庙。伪军金宪章旅处死日本顾问27人并将穆克登宝残部缴械，于次日正式通电反正。这样，伪军反正起到连锁效应，到20日止，共有伪蒙军和王英部的4个旅反正，促使战局向有利于晋绥军的方向发展。
    大庙收复战只用了3天时间，彻底瓦解了日本培植的王英部伪军。至此，绥远抗战完全结束。

虽然绥远抗战前后只进行了不足1个月，但却在中国抗战史上具有非常重大的意义；不但粉碎了日军侵绥继而占据内蒙的图谋，而且影响到国民党中央的内外政策和国民党地方实力派的抗战情绪，它所引发的援绥热潮亦成为抗日救亡运动的重要推力。
红格尔图、百灵庙、大庙三战三捷，精彩纷呈，绥远抗战有待影视作品的问世。