阳高会议上，许多人认为，傅作义“即便出兵来援，兵力也不会很大，行动不会很快”，实际上，傅作义来的兵力很多，行动也很快。北路，以3个骑兵纵队为主共3000余人，由陶林向集宁正西方向进攻，进至集宁西北大小土城，遭绥蒙军区骑兵旅阻击。南路，以2个骑兵纵队（师）及保安旅等部，由归绥地区向凉城方向进攻：左翼1个骑兵师一度占领卓资山以南外围据点；右翼1个骑兵纵队进到凉城西北，被晋绥军区独立第三旅、绥蒙军区2个团击退。中路，以暂编第三军（军长董其武）暂编第十一、第十七师，第三十五军第一○一师、新编第三十一师、第三十二师，及1个炮兵团，共14个团兵力，在董其武指挥下，由归绥、陶林分进合击卓资山：左翼新编第三十一师自陶林向卓资山南犯，右翼大部兵力沿平绥路北侧山地东犯卓资山。
在先头部队暂编第十一师、第十七师及新编第三十一师到达攻击地域后，董其武对卓资山志在必得：以暂编第十七师从西面沿铁路北侧向卓资山西山顶实施主要突击；以新编第三十一师从北面向卓资山东北侧高地进攻；以暂编第十一师沿铁路南侧高地进攻，企图以优势兵力，夺取卓资山。
从5日清晨开始，敌人兵分多路，向驻守在卓资山的晋绥独立第一旅阵地发起进攻。“经8小时激战，独立第一旅虽毙伤国民党军1200余人，但外围阵地已被大部占领，加之双方兵力悬殊，遂于当日14时后被迫撤出卓资山阵地。”
在傅作义部大举来援之时，大同前线指挥部决心暂缓攻城行动，转兵北上，与先期展开的部队相配合，首先消灭傅作义部援兵，然后再攻取大同。他们决定，以晋察冀军区第三纵队为主，由杨成武、李志民指挥，继续围困大同，张宗逊、罗瑞卿率晋绥野战军第三五八旅北上，加强打援的指挥和力量；另派陈正湘、胡耀邦前往集宁以西的十八台，统一指挥在卓资山地区的阻援行动。但是，形势急转直下，卓资山仅仅守了8小时就失守。
毛**：命令集宁守军死守，任何情况下不得放弃，否则执行纪律
在傅作义部大举来援之时，大同前线指挥部决心暂缓攻城行动，转兵北上，与先期展开的部队相配合，首先消灭傅作义部援兵，然后再攻取大同。他们决定，以晋察冀军区第三纵队为主，由杨成武、李志民指挥，继续围困大同，张宗逊、罗瑞卿率晋绥野战军第三五八旅北上，加强打援的指挥和力量；另派陈正湘、胡耀邦前往集宁以西的十八台，统一指挥在卓资山地区的阻援行动。但是，形势急转直下，卓资山仅仅守了8小时就失守。
董其武攻占卓资山后，军委电报估计这路敌军可能有三种动向：一、待在卓资山不动；二、救急如救火，敌顺公路直插凉城、丰镇，直趋大同解围；三、进攻集宁。
集宁地处绥东，是平绥线上的战略要地。占据该地，向东南可出兵丰镇、大同，控制晋北地区；向东可出兵尚义、张北，直下张家口，控制察哈尔。因此，国共双方无论谁想夺取大同、张家口等战略要地，集宁都势在必得。9月5日，傅作义部攻占卓资山后，贺龙、聂荣臻立即部署坚守集宁，并报军委，毛**当即回电：“部署很好，望按实情处理……命令集宁守军死守，任何情况下不得放弃，否则执行纪律。”
为对付董其武直插凉城、丰镇以解大同之围或进攻集宁，并集中优势兵力打击这路援敌，大同前线指挥部决定：北进的第三五八旅与南撤的独立第一旅合兵，置于丰镇以西麦胡图地区；将晋察冀军区第一、第二旅由平绥铁路东段车运丰镇，作为战役预备队；将在五台地区休整的晋察冀军区第十一旅直接增调集宁前线。至此，在集宁附近的部队已增至25个团。麦胡图、丰镇都便于向集宁机动，只是麦胡图靠近凉城而远离集宁，丰镇靠近大同而距集宁较远，一旦向集宁机动，劳师费时。大同前线指挥部如此部署，实际上是倾向于董其武会直插凉城、丰镇以解大同之围。
可是，敌人也很狡猾，竟然让晋察冀、晋绥军区的兵力置于无用之地，被迫又转移兵力北上。诚如聂荣臻所言：“我军在撤出卓资山之后，未能继续严密监视敌人，派出的侦察不够得力，通信联络也不顺畅，致使敌人暂编第十一师、暂编第十七师、新编第三十一师，于9月7日从铁路北面绕经火石坝秘密东进，到达集宁西北地区集结，直到9月8日晚上，前线指挥部才得知这一情况，遂决定把部队主力转向集宁。”
9月10日8时许，在董其武指挥下，敌暂编第十一师、新编第三十一师，在空军火力支援下，向集宁城西、城北两侧阵地发起猛烈进攻。遭到守城部队独立第三旅第二十七团猛烈还击，进展迟缓。之后，董其武投入暂编第十七师加强攻势，攻占了卧虎山，并进而猛攻西门外阵地。虽然各点防守部队连续反击，但最终未能阻止董其武部的攻势，被迫于14时退守城垣第二阵地。
集宁战斗打响当天，毛**致电张宗逊、罗瑞卿并告聂荣臻、贺龙：“敌攻集宁，正是歼灭傅部良机。”“速令杨得志部四个团开到集宁西南地区作为最后决胜之用。”“严令集宁防军死守一星期，我军主力务于三天至七天内彻底歼灭窜至集宁附近之敌。”“歼敌方法最好将我主力突入敌后由西向东打，集中绝对优势兵力（例如四对一）先解决一个师，得手后再解决一个师，最后全部解决该敌。”
此时，晋察冀、晋绥军区主力先后赶到集宁前线。根据毛**指示，张宗逊、罗瑞卿当即作了新的部署：晋察冀军区教导旅、第四旅进到集宁以西土城子地区，切断董其武部退路，由西向东进攻；晋绥野战军第三五八旅主力、独立第一旅进到集宁西南，由西南向东北进攻；晋察冀军区第十一旅从南向北进攻；晋察冀军区第一旅在第十一旅右翼投入战斗；第二旅为战役预备队；绥蒙军区骑兵旅在集宁西北担任战场侦察，相机追歼可能逃跑的傅军；独立第三旅特务团、绥蒙军区两个团扼守凉城地区，向归绥方向警戒。
9月10日晚，晋察冀、晋绥军区参战部队在统一号令下，包围了傅作义部主力3个师于集宁城下，双方展开激战。11日拂晓，董其武一面对外围展开阻击，一面组织兵力从西、南两面继续攻城，企图夺取集宁，固守待援。攻城敌军遭到守城部队的顽强抵抗，伤亡400余人；至8时，董其武见攻城无望，企图全线西撤，但退路已断，被迫困守集宁西北脑包山、卧龙山诸要点。11时，晋察冀、晋绥军区部队分别向傅作义部各阵地发起攻击，经一天两夜激战，歼灭暂编第十一师大部和暂编第十七师一部，共5000余人，其中俘虏副师长以下2000余人。至12日晨，晋察冀、晋绥军区部队控制了三岔口、脑包山、玻璃图、天门山、石灰山等地，及卧龙山部分阵地，将新编第三十一师及暂编第十七师大部和暂编第十一师残部团团包围，压缩在集宁城西南的卧龙山脚下及西、南营房的狭小地区。混战中，晋察冀、晋绥军区部队袭击了暂编第三军司令部和暂编第十七师司令部，摧毁了电台，使坐镇归绥的傅作义与董其武中断通信联络达四五个小时之久。
但是，由于劳师袭远，晋察冀、晋绥军区部队也很疲劳，作战出现间歇。因此，《华北野战部队战史》不无遗憾地指出：“由于两区部队未能抓住这一有利时机组织连续攻击，致使该部得以喘息，开始作困兽之斗。”聂荣臻也认为：“我军前线指挥部距离战场较远，对前面的情况不明，在一天的时间里，竟没有组织连续进攻，给了敌人喘息和整顿的机会。”
9月2日中午，为了夺取有利阵地，董其武下令再度攻城。在空军配合下，一部分敌人突入城内与守城部队展开巷战。晋察冀军区第一旅1个团增援城内，阻止了董其武部的进攻，并与守城部队合力夺回了一些阵地，与董其武部形成对峙。此时，董其武部主力被围困在城西南一带的山坡上。
9月12日16时，晋察冀、晋绥军区部队开始向董其武部发起总攻。就在这关键时刻，傅作义派主力第一○一师赶来增援，其先头部队已进占集宁城西数十公里之大脑包山。。。。。。。。。。