1936年11月23日，由黄昏到深夜，在归绥以北通往百灵庙的条条大路上，官兵们个个斗志昂扬，情绪高涨。
根据傅作义将军的部署，我军奇袭百灵庙！
虽然气温在零下十几摄氏度，积雪尺余，行进非常吃力，而各部队均于当夜12时到达攻击准备位置，向各攻击方向及地点开始攻击。
由于我军行动极为秘密，日寇及匪伪军毫无察知。百灵庙及其周围山上、山下虽有坚固工事，但无日伪军防守。当我军各路部队进入敌前沿阵地时，日寇及匪伪军仍未发觉，直到我军将敌警戒哨兵捕获。听到我军枪声大震时，敌军始从梦中惊醒，起而仓皇迎战。匪伪军在日寇指挥官的胁迫下，胡乱进入阵地进行抵抗。
半小时后，总指挥部得知我军在各个方面均已打响，遂命令张成义团即向敌发起总攻。
张成义团长率领全团官兵向敌猛烈攻击。
正当我军向敌后纵深突击时，日特务机关长胜岛角芳亲自指挥督战，集中全部火力，拼死阻止我军突击，并向女儿山阵地增加轻重机枪10余挺，以炽盛火力阻止我军前进。
激战达三四小时，敌凭工事火力负隅顽抗，我军进展较慢。这时，离天明只有两个小时，如在拂晓前不能结束战斗，天明后敌人援军赶到，再加飞机轰炸、扫射，百灵庙将难以收复。
总指挥部感到情况紧急，遂决定全力以赴，坚决在拂晓前全歼敌寇，以收复百灵庙。
我军袭击部队在炮兵、装甲车的协同支援下，向敌发起拂晓总攻。我军12门山炮同时发射，向敌实行歼灭性射击，掩护装甲车及步兵攻击。苏鲁通小炮队8门小炮，用破甲弹向女儿山轻重机枪掩体及射击孔直接瞄准，实行摧毁射击，支援步兵攻击。
短时间内，敌阵地就被我军猛烈炮火摧毁。
驾驶兵张仰贤左臂受伤，但他奋不顾身，冒着敌人的交织火力，驾驶装甲车向敌阵地猛冲进去。继而，我军6辆载步兵汽车也由最大的土山口冲入。敌遂不支纷向庙内败退，我军跟踪冲入庙内。
这时，刘效曾团、左右两梯队也均在强烈的炮火支援下，向庙内之敌实行包围聚歼。
张成义团长又选拔奋勇队杨天柱连突破庙前缺口，将前院后院割为数段。同时，我军骑兵也攻占北山，控制了敌之飞机场，将敌军后路切断。敌惊慌失措，无点可守。恰于此时，伪蒙军一批官兵20余人在战场起义，调转枪口向日本指导官射击。
胜岛角芳和伪蒙军师长穆克登宝，见我军已攻入庙内，援军又一时上不来，再行顽抗下去，势必为我军俘虏。他们急乘汽车数辆，由日本指导官等用机枪射击掩护，朝东北方向夺路冲出，狼狈逃窜。
匪伪军因指挥官逃遁，随即全线崩溃，纷纷向我军投降。激战至24日8时，我军全歼日伪军，收复了百灵庙。
当日，收复百灵庙的消息传出后，各地报纸纷纷刊发号外。全国军民无不扬眉吐气，欢欣鼓舞。
中共中央在贺电中说：傅作义将军发起的绥远抗战，是中国人民抗日的先声！
