在日军“华北方面军”主力沿同蒲线、正太线向太原进攻的同时，关东军一部和伪蒙军9个师向绥远发动进攻。
为了侵占绥远，日军将关东军独立混成第11旅团改编为第26师团。1937年10月20日，改编后的第26师团师团长后宫淳中将到达大同。关东军司令官命令后宫淳一并指挥独立混成第1、第2旅团和临时飞行团，在伪蒙军9个师的协同下向绥远省发动进攻，并担负“华北方面军”作战地区以北，特别是平绥铁路西段的守备任务。
当时，中国第二战区部队大部调入山西作战，在绥远省境内仅有步兵新编第5旅、第6旅和骑兵第6师、第7师担任守备任务，兵力异常空虚。事实上阎锡山只顾在晋北、晋东对日军进攻抵抗，已顾不及绥远省的防务。因此，日军进入绥远以后如入无人之境，迅速将绥远省的大部占领。
伪蒙军一部于9月26日占领绥北陶林，30日占领百灵庙。伪蒙军另一部沿平绥铁路西进。10月6日，晋绥军骑兵第6师在旗下营地区对伪军进行了坚强阻击。两军在此地形成对峙状态。这时，日军独立混成第1旅团从山西省朔县北进绥远，并于10日占领绥南凉城。
10月12日，后宫淳下令攻占绥远省会归绥(今呼和浩特)，以平绥支队(以步兵第3联队第1大队为主编成)和铁道第3联队一部从大同乘火车西进。独立混成第1旅团由凉城向归绥攻击。该旅团先遣队第1大队于10月11日进到归绥南面的西沟门，掩护旅团主力向归绥前进。12日，该旅团进入归绥。
日军平绥支队乘火车到达旗下营增援伪蒙军作战，将守军骑兵第6师击退，于14日也进入归绥。接着，日军沿铁路线和公路线向西追击。在绥的第二战区部队曾在莎拉齐、沙尔沁一线和磴口地区阻击日军，但受到优势日军的打击而撤退。17日，日军进占包头。
进入绥远省境内的伪蒙军，除一部进入归绥外，一部占领乌兰花和武川，并于21日占领固阳。伪蒙军另一部沿平绥铁路以南地区追击，占领包头后，前出到五原以东地区。至此，绥远省的大部被日军占领。
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