兵第2师1个团、山炮兵1个营和小炮、汽车、装甲车各1队进行收复百灵庙的战斗。
11月23日18时，各部队在百灵庙东南35公里的二分子、公胡同集结完毕。
随后，傅作义的士兵们，冒着零下20度的严寒和两尺多厚的积雪前进。
各参战部队采取严密伪装办法，行军时，车、马、人全部披上白布，借着茫茫白雪作掩护，悄悄向百灵庙附近集结。
为了提高部队行军速度，各连队都组织了扫雪队，一人一把木锹，在大部队前面铲雪开路，这样，人不声，马不嘶，悄悄向百灵庙附近集结。
11月23日深夜，参战部队全部进入攻击位置。
此时，百灵庙内的日伪军，竟一点也没有发现抗日部队。
23日夜11时，在总指挥，骑兵第二师师长孙长胜，副总指挥，211旅旅长孙兰峰的指挥下，突然向百灵庙之敌发起猛攻。
由于傅作义的军队行动神速，敌人事先毫无防备，战斗开始时进展比较顺利，部队迅速插到了敌人的前沿阵地。
但半小时后，敌人组织起了有效的防御，战斗非常激烈。
当正面攻击部队向敌纵深推进时，日伪军集中全部火力