準備
中國國民政府綏遠省主席兼第35軍軍長傅作義以“不惹事，不怕事，不說硬話，不做軟事”的原則同日軍和德王進行堅決鬥爭，在軍事上也作了相應的準備。
1936年11月5日，日本侵略者在嘉卜寺召開侵綏軍事會議，決定集中兵力向綏東進犯，企圖侵佔紅格爾圖，直迫綏遠省會歸綏(今呼和浩特)，再分兵進佔綏東平地泉(集寧)與綏西包頭、河套。傅作義獲悉後，迅速祕密集結兵力，進行迎戰部署。15日，日僞軍一部5000餘人，在野炮、裝甲車、飛機掩護下，向紅格爾圖猛烈進攻。中國軍隊4個多團迎擊日僞軍，傅作義親臨平地泉前線指揮作戰。從16到18日，日僞軍的連續進攻均未得逞。19日，將僞軍擊潰，敗退商都。
紅格爾圖戰役後，日僞軍深恐中國軍搗毀其僞政權，派僞蒙軍一部進佔大廟，增強百靈廟外圍防禦力量外，還令僞蒙軍隨即抽調兵力加強商都、化德的防務，並在綏北百靈廟構築堅固的防禦工事。再增派日本軍官200餘人補充各僞軍部隊任指導官。還擬抽調僞滿軍及日軍一部由赤峯開往多倫、商都、百靈廟等地，待機進犯綏東、綏北。
日寇在綏遠地區的侵略行爲，激怒了全國人民，也激怒了具有愛國之心的傅作義將軍，當時傅作義將軍是國民黨綏遠省主席兼35軍軍長。傅作義將軍祕密召開軍事會議，精心部署作戰計劃，制定了此次戰役的主要目標是收復百靈廟、紅格爾圖、土木爾臺和土城子等失地。
過程
針對百靈廟四周環山、山外爲平坦草地、35公里內無村落、易守難攻的地形特點，晉綏軍制定了隱蔽接敵、正面攻擊與迂迴包抄相結合、速戰速決、準備阻擊援敵等指導要領，“以強襲之準備作奇襲之行爲”，對百靈廟發起進攻。
11月20日，遂命騎兵第二師師長孫長勝、第211旅旅長孫蘭峯爲前敵正副總指揮，率所部兩個團和第70師一個團、騎兵第2師一個團、山炮兵一個營和小炮、汽車、裝甲車各一隊進行收復百靈廟的戰鬥。要求在24日前以迅疾動作、敏快手段，在增援之敵到廟之前襲取成功。同時發佈作戰命令：“騎2師孫師長長勝爲指揮，步211旅孫旅長蘭峯爲副指揮，旅參謀長袁慶榮爲參謀長，指揮步兵419團(欠1營)、421團(欠1連)、第70師315旅補充第1團(欠1連)、騎兵第8團及特務3個連、炮21團第3營，及第6連小炮2門，無線電3臺，汽車1隊(計甲車20輛、汽車24輛)，以迅捷之手段，襲佔百靈廟。”23日18時，各部冒着零下20度嚴寒和沒膝深的積雪前進，採取僞裝辦法，車、馬、人全部披上白布借茫茫白雪作掩護，向百靈廟附近集結。
24日凌晨1時，進攻百靈廟的戰鬥全面展開。日本特務機關長盛島角芳指揮作戰，以熾烈火力阻止晉綏軍前進。戰至4時，攻擊部隊深入各敵陣地，戰鬥呈膠着狀態。上午7時天即放明，若無進展，敵飛機助戰，援兵亦至，則對晉綏軍非常不利。因此孫長勝、孫蘭峯到第一線指揮作戰，袁慶榮指揮炮兵，並撥給尖刀連9輛汽車，每班乘1輛，由東南山口魚貫向廟內衝擊，決心在早晨全殲廟內之敵。經過反覆搏鬥，終於突破敵陣，突入廟內。激戰後將敵殲滅大半。
與此同時，騎兵團攻佔北山，控制了飛機場，斷敵後路。敵由東北方向敗退大廟，中國軍隊收復百靈廟。
結果
百靈廟激戰後將敵殲滅大半。日本特務機關長盛島角芳先率部逃跑，日本顧問菸草谷與僞蒙軍第7師師長穆克登寶也分乘汽車狼狽逃竄。至上午9時30分，晉綏軍收復了百靈廟。百靈廟一役，斃傷僞軍700-800百人，俘虜300餘人，繳獲炮3門、重機槍5挺、步槍400餘枝、電臺3架，還繳獲了彈藥一批、麪粉2萬袋和大量汽油。晉綏軍傷亡官兵300餘人。
