24日晚8时，攻击开始。主攻部队勇敢机智，迅速占领了制高点，而后，穿插分割，逐一歼敌。他们充分发挥了夜战、近战的特长，战斗发展异常迅速。
战斗打了一夜，贺龙在指挥所里一夜未眠。在战斗最激烈的时候，他对警卫班的战士们说：“你们呆在我身边干什么？赶快去参加战斗。我现在用不着你们，一个人也不用！战场上多一个人，胜利就会来得快一分，快去！”贺龙身边的警卫人员都是从基层挑选来的共产党员，谁不想上战场去与敌人撕杀？首长一开口，一个个都奔向了枪声最激烈的地方。当然，他们并没有忘记留下几个人保卫首长的安全。
25日上午，战斗胜利结束，全歼新编二十六师4000余人，俘虏了中将师长张士智，可惜，在押解途中逃跑了。何文鼎呢？战斗刚一打响就偷偷溜走了。然而，最令贺龙遗憾的是由集宁西撤的傅作义集团主力第一〇一师前来增援，虽然遭到了独一旅的顽强抗击，但是由于上面指挥不统一，独二旅未能按时赶到，让第一〇一师逃到归绥去了。贺龙后来说：“如果独二旅赶上来了，我们就打上一〇一师了。一〇一师没有被歼灭，逃走了，傅作义守归绥就增加了信心。”
在贺龙用兵卓资山的时候，中共中央军委发出指示说：“如傅固守归绥，则先将包头、五原、固阳占领，逼傅部绝食突围，然后歼灭之。如我能迅进，可能速占归绥。”卓资山战斗胜利后，傅作义已将其主力撤到归绥。聂荣臻与贺龙约定在卓资山以东的隆盛庄会面商定下步行动。10月26日，即卓资山战斗后的第二天，聂荣臻到达隆盛庄，然后，聂、贺一道进入卓资山。在这里，聂荣臻与贺龙、李井泉就下一步行动作了研究。27日，他们又收到了中共中央军委指示，指示进一步强调：“此次作战，必须达成歼灭傅顽主力之目的，应将我主力运动到傅顽阵地背后去，由西向东打，方可聚歼。”聂、贺根据当时敌我情况商定：先肃清外围，合围归绥，再行攻城，并派一部分兵力西出包头。显然，这个决定的重点在于夺取归绥，西进仅是一种配合行动，没有充分体现中共中央军委迅速西进、由西向东打的意图。贺龙后来说：“本来，在卓资山战胜敌人后，就应该按军委指示早日西进，攻击傅军退路，消灭敌军主力。在卓资山时，我没有把军委指示提出来与聂司令员讨论，这要负一定责任。”①
①贺龙：1947年5月在晋绥军区建军会议上的讲话。
聂、贺决定的围攻归绥的部署是：晋察冀野战军的冀察纵队、冀晋纵队沿大青山麓向西进击，肃清平绥路以北之敌，从北面包围归绥；冀中纵队从东面包围归绥；晋绥野战军主力肃清平绥铁路以南至大黑河以北之敌，从南面和西面包围归绥；晋绥野战军的独一旅、骑兵旅与冀察纵队骑兵二团组成挺进军，由王尚荣指挥，沿铁路西进，截断归绥与包头间的联系，相机夺取包头。
这时，傅作义已将其主力第三十五军、暂编第三军、新编骑四师等共2.4万人集中归绥，原伪蒙部队扼守归绥外围据点。敌军依城防守，以逸待劳，并不时出击，给攻城部队以消耗、干扰。经过在外围的几次激战之后，双方形成对峙状态，历时半月无进展。西进的挺进军从11月1日至5日，连克兵州亥、察素齐、沙尔沁，歼敌5个骑兵团，直抵包头城下。在包头，傅作义集中第六十七军等部共1.2万人防守。挺进军兵力不足，也与敌军形成了相峙局面。
贺龙在归绥城西接到王尚荣的报告，甚为焦虑，经与聂荣臻商量之后，令三五八旅两个团（缺一个营）由旅长率领增援包头。11月11日，三五八旅赶到了包头。
包头为绥远第二大城，城墙坚固，又有日军构筑的钢筋水泥工事，是一座坚城。逼近包头的晋绥部队企图以全部3个多团的步兵尽快拿下它，在未充分掌握敌情的条件下，即于11月12日发起攻击。攻入城内的4个营英勇战斗，奋力拼杀，与敌人展开激烈巷战。但因兵力不足，在敌人猛烈反扑下，伤亡很大，弹药耗尽，被迫撤出城外。
当天，贺龙就接到了攻击包头失利的报告。他与聂荣臻几经研究，决定由贺龙、李井泉率晋绥野战军全部和晋察冀部队1个旅西进，夺取包头；晋察冀部队在聂荣臻指挥下，继续围攻归绥。
对此，中共中央军委认为，夺取包头是好的，但须集中力量。聂应着晋察冀主力与贺、李一同西进，留部分兵力控制归绥。聂荣臻对这一主张有不同的看法。他认为，如晋察冀部队主力西进，围城部队即转为劣势，敌人必然乘机反击，战局有恶化的危险；主力全部西进，将分成归绥、包头、河套3个战场，兵力分散，难以相互策应；没有巩固的后方补给线，粮食、弹药无法补给。因而，他主张按原部署打几仗，看情况发展，请中央军委慎重考虑。
中共中央军委在11月22日的指示中虽然仍主张聂部西进，集中力量攻取包头，但同时指出：“中央对于前方情况不了解，望你们根据情况实行之。”23日又指示说：“如果你们估计短期内没有把握攻下包头、归绥，是否即将部队撤到机动位置，相机再订今后计划。”
贺龙是想倾全力攻下包头，实现中共中央战略意图的。他在包头东郊沙尔沁对部队说：“我们先打下包头，再打五原、临河，抄傅作义的老窝，回过头来再打归绥、大同。”12月2日，第二次攻打包头。晋绥野战军在零下十几度的塞外严寒中，英勇作战，表现非凡，但由于缺乏攻坚装备，衣着单薄，天寒地冻，土工作业、排除障碍和部队生活保障都遇到了很大困难，加之敌人已有充分准备，因而，激战终日，未能奏效。
这时，贺龙因长期劳累，胆囊炎复发，又患了重感冒，无法亲临第一线指挥，只能躺在床上关注着战斗情况。当他得知攻坚受挫后，反复思索，感到在这种情况下继续攻城，将会消耗自己更多的有生力量，也没有取胜的把握。这种仗不应再打，因此，他毅然决定停止攻城，撤离包头。
一个指挥员审时度势，权衡得失，敢于及时作出摆脱困境的决策，并不是件很容易的事。曾任过傅作义部第一〇一师师长、第三十五军军长的董其武将军在全国解放以后，同贺龙谈及绥远战役时说：“贺老总，你那时的指挥确实高明，很快决定撤退，不攻包头了，那是非常正确的。如果再攻，也不好攻下来。因为我们的部队工事里生着火炉，枪炮口都标定了方位，是以逸待劳，又有优势装备，弹药充足。包头城一面是山坡高地，一面是平坝子。我们部队据守在高处，给周围城墙泼了很多水，一冻成冰，又滑又硬，不好接近，你们是很难攻下来的。当时，你下令撤退，非常英明。”贺龙听了，笑而不答。
晋察冀军区部队也于14日从归绥附近撤围，绥远战役结束。
这次战役历时50余天，虽未实现预定目的，但歼灭了1.2万敌人，收复了绥东、绥南广大地区，打破了国民党当局控制平绥铁路的企图。
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