同时，为了从这里南下，夺取归绥、包头等重镇，日军方面为伪蒙古军运来大批的粮秣和装备，单单存在庙上的子弹有100万发以上，白面约二三万袋。
而这里，也成为了傅宜生准备夺取的对象！
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，傅宜生在归绥召集孙长胜、孙兰峰和袁庆荣部署战斗，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。”
22日晚10时，各部队按指定地点集结完毕。
24日凌晨1时，进攻百灵庙的战斗全面展开。
察觉晋绥军的行动之后，日伪军迅速反应过来，日本特务机关长盛岛角芳亲自上阵指挥作战，以炽烈火力阻止晋绥军前进。
战至凌晨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。
激战后将敌歼灭大半，日本特务机关长盛岛角芳意识到已经无力回天，首先率部逃跑，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，毙伤伪军七八百人，俘虏300余人，缴获炮3门、重机枪5挺、步枪400余枝、电台3架，还缴获了弹药一批、面粉2万袋和大量汽油，晋绥军伤亡官兵300余人，取得了绥远战场上的大捷。
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