准备
中国国民政府绥远省主席兼第35军军长傅作义以“不惹事，不怕事，不说硬话，不做软事”的原则同日军和德王进行坚决斗争，在军事上也作了相应的准备。
1936年11月5日，日本侵略者在嘉卜寺召开侵绥军事会议，决定集中兵力向绥东进犯，企图侵占红格尔图，直迫绥远省会归绥(今呼和浩特)，再分兵进占绥东平地泉(集宁)与绥西包头、河套。傅作义获悉后，迅速秘密集结兵力，进行迎战部署。15日，日伪军一部5000余人，在野炮、装甲车、飞机掩护下，向红格尔图猛烈进攻。中国军队4个多团迎击日伪军，傅作义亲临平地泉前线指挥作战。从16到18日，日伪军的连续进攻均未得逞。19日，将伪军击溃，败退商都。
红格尔图战役后，日伪军深恐中国军捣毁其伪政权，派伪蒙军一部进占大庙，增强百灵庙外围防御力量外，还令伪蒙军随即抽调兵力加强商都、化德的防务，并在绥北百灵庙构筑坚固的防御工事。再增派日本军官200余人补充各伪军部队任指导官。还拟抽调伪满军及日军一部由赤峰开往多轮、商都、百灵庙等地，待机进犯绥东、绥北。
日寇在绥远地区的侵略行为，机怒了全国人民，也机怒了具有爱国之心的傅作义将军，当时傅作义将军是国民党绥远省主席兼35军军长。傅作义将军秘密召开军事会议，经心部署作战计划，制定了此次战役的主要目标是收复百灵庙、红格尔图、土木尔台和土城子等失地。
过程
针对百灵庙四周环山、山外为平坦草地、35公里内无村落、易守难攻的地形特点，晋绥军制定了隐蔽接敌、正面攻击与迂回包抄相结合、速战速决、准备阻击援敌等指导要领，“以强袭之准备作奇袭之行为”，对百灵庙发起进攻。
11月20日，遂命骑兵第二师师长孙长胜、第211旅旅长孙兰峰为前敌正副总指挥，率所部两个团和第70师一个团、骑兵第2师一个团、山炮兵一个营和小炮、汽车、装甲车各一队进行收复百灵庙的战斗。要求在24日前以迅疾动作、敏快手段，在增援之敌到庙之前袭取成功。同时发布作战命令：“骑2师孙师长长胜为指挥，步211旅孙旅长兰峰为副指挥，旅参谋长袁庆荣为参谋长，指挥步兵419团(欠1营)、421团(欠1连)、第70师315旅补充第1团(欠1连)、骑兵第8团及特务3个连、炮21团第3营，及第6连小炮2门，无线电3台，汽车1队(计甲车20辆、汽车24辆)，以迅捷之手段，袭占百灵庙。”23日18时，各部冒着零下20度严寒和没膝深的积雪前进，采取伪装办法，车、马、人全部披上白布借茫茫白雪作掩护，向百灵庙附近集结。
24日凌晨1时，进攻百灵庙的战斗全面展开。日本特务机关长盛岛角芳指挥作战，以炽烈火力阻止晋绥军前进。战至4时，攻击部队深入各敌阵地，战斗呈胶着状态。上午7时天即放明，若无进展，敌飞机助战，援兵亦至，则对晋绥军非常不利。因此孙长胜、孙兰峰到第一线指挥作战，袁庆荣指挥炮兵，并拨给尖刀连9辆汽车，每班乘1辆，由东南山口鱼贯向庙内冲击，决心在早晨全歼庙内之敌。经过反复搏斗，终于突破敌阵，突入庙内。机战后将敌歼灭大半。
与此同时，骑兵团攻占北山，控制了飞机场，断敌后路。敌由东北方向败退大庙，中国军队收复百灵庙。
结果
百灵庙机战后将敌歼灭大半。日本特务机关长盛岛角芳先率部逃跑，日本顾问烟草谷与伪蒙军第7师师长穆克登宝也分乘汽车狼狈逃窜。至上午9时30分，晋绥军收复了百灵庙。百灵庙一役，毙伤伪军700-800百人，俘虏300余人，缴获炮3门、重机抢5挺、步抢400余枝、电台3架，还缴获了弹要一批、面粉2万袋和大量汽油。晋绥军伤亡官兵300余人。
