针对山西主战场的局势，**方面对应的展开了南、北两线的全面反击，围绕夺取三路（平汉路北段和正太路、同蒲路），并相机夺取四城（保定、石家庄、太原、大同），在南线，粉碎阎锡山、胡宗南组合的联防体系，控制同蒲铁路南段，使晋南地区由胡宗南进攻陕北的后方基地，变为策应人民解放军向西北进攻的战略后方；在北线，打退傅作义、马占山的进犯，确实保障解放军对晋北的占领，使之成为以张家口为中心的基本战略根据地的重要组成部分，彻底粉碎蒋介石在北平、天津、张家口地区建立发动内战的北方补给基地的计划。
为此在山西战场解放军迅猛的发起了晋北战役，抽调晋绥军区和晋察冀军区部队各一部，于1946年6月中旬进行反击，至7月初，便以巨大的声势取朔县、收山阴、克繁峙。切断晋绥军太原和大同的联系，随即又组建晋北野战军司令部，以周士第为司令统一指挥两军区部队，继续向南发展攻势。至7月中旬，又接连克代县、崞县等城。迫使原平、忻口、五台、定襄等地晋绥军退集忻州固守。但是7月20日到8月15日，晋北野战军司令部先后集中3个旅及地方武装共10个团的兵力向忻州城进攻，却充分暴露除了解放军缺乏攻坚能力的弱点。部队组织3次大规模的攻城，均未成功，仅在城南歼灭由太原增援忻州的晋绥军第六十八师的两个团。
而就在晋北野战军顿兵于忻州城下的同时。聂荣臻所领导晋察冀军区和贺龙所领导晋绥军区在同蒲铁路北段已全为解放军控制的情况下，以晋绥军区副司令员张宗逊为总指挥，以晋察冀军区副政委罗瑞卿任政委，组成大同前线指挥部，集中两战区全部主力，共50个团十几万的兵力发动了旨在夺取大同的战略攻势。
大同不仅是著名煤都，而且是平绥、同蒲铁路的连接点，是连结晋冀的交通要冲，历来为兵家必争之地。日军投降后，阎锡山派晋绥军名将楚溪春率骑四师3000人进占大同，与日军1000多人及伪警察队、矿警队混合扩编为省防第五军。大同被晋绥军控制之后，就成了楔入晋绥和晋察冀两根据地中间的楔子，而拿下大同，就可以使解放军晋察冀和晋绥两大根据地连为一体。
是役，晋察冀军区第一、第二、第三、第四纵及地方部队全部参战，晋绥军区主力全部参战，具体分工为第三五八旅，第五军分区第二团，晋察冀军区第三纵队及教导旅，炮兵团，第一军分区独立第十二，十三团担任大同攻击任务，第四纵队第十旅攻下应县后亦北上参加大同作战；以晋绥军区独立第一，第三旅，骑兵旅，绥蒙军区第七，第九团及晋察冀军区第二纵队第四旅等部，晋察冀一纵，担任阻击傅作义部队的增援，张家口卫戍司令部教导旅在完成大同外围作战后，亦赴新堂参加打援。大同战役规模如此大，决心如此大，战略目的很清楚：一，消灭阎锡山和傅作义有生力量；二，扫除延安至张家口一线障碍，完成绥远战役未完成的战略目的。
而大同守军为暂编第三十八师，东北挺进军马占山骑兵第五、第六师，保安总队，两个炮兵营，一个特务营和一个工兵连。共1.9万余人，可谓建制混乱不统一，成分复杂，战斗力低下，暂38师由大量伪军编入，因此大同虽城垣坚固，地势险要，易守难攻，工事坚固，又有楚溪春这样的名将坚守，解放军仍有把握以绝对优势兵力将其攻下。果然战役一开始，解放军晋察冀军区第三纵队八旅、教导旅和晋察冀第一军分区以及晋绥第五军分区的部队，从7月31日起，便迅速夺取了怀仁、口泉、平旺等外围据点。休整九天之后，解放军攻城部队集结兵力做攻城准备。
8月14日夜晚，解放军攻坚主力部队以十三个团兵力，同时总攻大同近郊和城关据点。由于没有攻坚经验，攻击部队火力并不强，仅用手榴弹和梯子攻敌人的碉堡，效果不大。当晚，马占山部的海福龙团在海福龙率领下起义，退出近郊的白马城，可以说是解放军方面唯一的胜利。
而由于解放军在外围作战时，未能大量歼灭守军有生力量，因此楚溪春从外围将兵力收缩到城郊工事，加强了防守。而且，飞机场还在守军手里，几天之内，晋绥军从包头空运来交警第三大队。这样在数量上我军攻城的兵力并不占大的优势。守军依托坚固工事、充足的弹药和复杂交错的碉堡群进行抵抗而。阎锡山收编的几百侵华日军炮兵，对解放军攻克各个据点也造成很大障碍。当时大同矿区虽然有充足的炸药，但是因为解放军各部队没有用爆破进攻敌人的经验，没有利用爆破进攻。近郊作战打得非常艰苦，每前进一步都要付出很大代价，许多据点得而复失，形成拉锯。
而楚溪春连连向阎锡山告急，请求增援，但是由于太原到大同铁路已被切断，晋绥军无法出兵，只得向蒋介石求援。而此时**兵力也陷在全国各个战场，也抽不出援军。当时整个战区唯一机动兵力就是在归绥的傅作义所部，但是早已脱离了晋绥军体系的傅作义对不属于自己管辖的大同采取观望的态度，蒋介石为了诱使傅作义出兵增援大同，使出其军阀内战中一贯手法，给地盘，加官晋爵，把大同划归划十二战区管辖，对于久处贫瘠不毛之地—绥远的傅作义说来，大同煤都，盛产乌金，又是晋冀两地交通要冲，真是梦寐以求的好事。
接到国民政府的命令之后，傅作义立即召集其亲信部将，董其武、孙兰峰、郭景云、安春山、杨维垣，刘春方，刘万春及团以上全部军官到归绥出席秘密军事会议。这些军官到了归绥（今呼和浩特），闭门开了7天军事会议，严密部署策划，参谋长李世杰率各部参谋班子作了沙盘图演。傅作义反复讲话，讲解军事要领，作战法研讨，思想鼓动。为了这场决战胜利，傅作义将其所有军官关在营中，不准回家食宿，纪律十分严明，比中央的嫡系严密的多，因此**方面的情报工作也无从下手。而为了防止泄密，傅作义所部不用国民党军共用密码，也使解放军难以掌握其动向。
会后傅作义的参谋长李世杰亲赴庐山，向蒋介石汇报行动计划，蒋介石看了行动计划后也极为满意，傅将军此次举措，增援大同的傅作义所部分别从三路进军，北路由陶林兵进集宁，南路出归绥，进攻凉城，中路出归绥攻卓资。但是这三支部队之中只有中路为实，两翼是虚，仅为疑兵。夺取卓资山，围集宁必定致大同的解放军分兵北援。只要傅作义所部打掉解放军增援部队，大同困境，自然缓解。
这确是一个非常高明的战略战术，按一般军事常识。大同危急，救急如救火，应顺公路直插凉城，丰镇，直趋大同解围。怎么可能舍近求远，攻集宁，但事实上顺公路攻凉城，丰镇。解放军早有防范，已无奇兵之效，且费时费力，伤亡重大，事与愿违，以绝对弱势兵力去进攻强敌事先预设之阻击，弄不好连自己一起赔进去，当时解放军机动打援兵力4个旅已集中在麦胡图，如果傅作义所部的主力果真顺凉城，丰镇进军。则正中解放军的下怀，到时大同进攻部队还可以抽出5到6个旅的兵力围歼傅军。而攻击集宁，则是出其不意，攻其不备，一箭双雕，攻下集宁，向东南可出兵丰镇，隆盛庄。从后方迂回包抄进攻大同的解放军部队，对正在围攻大同的解放军各部威胁巨大。而攻下集宁，向东可出兵尚义，张北，直接威胁我晋察冀军区首府张家口，若不回救，张家口危险。所以攻集宁乃为攻其所必救，是弱势之兵想要解围和取胜之唯一奇招。可以说是现代战争之中围魏救赵运用最为成功一例。
1946年9月3日，傅作义以暂三军军长董其武率主力暂三军（欠暂十师）之暂十一师，暂十七师，会同嫡系部队第三十五军安春山之新三十一师共1.3万人，由中路出动；同时孙兰峰率领骑兵主力共3千余人由北线出动，两军为一线进攻部队，猛扑卓资－集宁方向。第三十五军第一○一师郭景云所部，新三十二师李铭鼎所部、卫景林所统率的机动纵队，刘春方骑四师为二线部队，随后增援。傅作义动用的总兵力为暂三军的2个师，第三十五军3个师及4个骑兵师共3.2万人左右，可以说是倾巢而动。
傅作义以全部精锐，暂三军主力经福生庄向卓资进发，新三十一师则由陶林向卓资东北挺进，两军会师后，由暂三军暂十七师与新三十一师对卓资山进行东西夹击。第一○一师及机动纵队随后跟进，准备支援。北线骑兵迂回进攻集宁西北之大小土城，威胁侧翼。南线的骑四旅则攻占卓资山之外围据点毫切。
大同战役开始之前，解放军高级将领曾在会战会议上考虑到傅作义所部可能从归绥派兵东援的问题。但是大多数与会者都认为大同不属傅作义所辖的战区，他即便出兵来援，兵力也不会很大，行动不会很快，只要攻下大同，傅作义所就不敢东来，所以会议对打援问题只确定了打点阻援的方针。没有预定打援的战场，更没有做出打援的具体部署。
况且1945年9月间，贺龙指挥晋绥野战军、聂荣臻指挥晋察冀部队曾联合发起了绥远战役。在绥远战役中：晋绥野战军曾在卓资山歼灭傅作义所部第六十七军新编二十六师何文鼎部，击溃援第一○一师，毙伤俘少将副师长以下四千余人。晋察冀军区部队更一度围困归绥，晋绥军区部队在11月，12月两次攻打包头。如果不是傅作义所部凭着坚固的工事顽强抵抗，而解放军军兵力、火力都不足，又缺乏攻城经验，遂打成僵持局面。直到隆冬到来，土工作业和部队食宿都遇到极大困难，解放军只得主动撤出战斗，转入休整。一举将傅作义赶出绥远也并非难事，因为参战各部队普遍对傅作义所部的战斗力心存藐视。
而傅作义出击集宁的战略更与**对集宁重要性的看法不谋而和。因此傅作义欲攻集宁，必先出卓资。解放军原已料到，卓资扼傅军出援之门户，首当其冲，责任重大，张宗逊派独立第一旅旅长王尚荣坚守卓资。战前王尚荣和朱辉照政委及全旅领导深入部队做了战斗动员，落实了防御部署，精心筹划，其部署为；以二团配置在卓资山以西山顶高地组织防御；第三十五团三营在卓资山东北高地组织防御，团主力配置在大、小南沟为二梯队，准备向西山顶等地实行反冲击；第七一四团主力为机动兵力一个连在西南高地掩护二团侧翼。参战各部队在战前做了战斗动员。**更在给贺龙、聂荣臻的电报中称：“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，否则执行战场纪律！”
9月5日拂晓前，傅作义以三个师兵力—安春山的新三十一师，暂十一、暂十七师在一个炮团强大炮火掩护下，向卓资山阵地猛攻。二团坚守阵地，顽强抵抗，击退攻方多次成连成营的连续攻击。到中午12时许，西山顶二营阵地失守，教导员王承烈牺牲。特务连和三连实行反冲击。阻止敌扩展。北线敌占领头道沟东面高地后，迅速向卓资山南实施迂回包围。沿铁路南侧进攻之敌也突破一营阵地，从西面向卓资山实施迂回包围。第七一四团主力配置过远来不及增援，形势恶劣，其情景简直就像解放军运动包围战。独立第一旅旅长王尚荣王尚荣不得不在敌合围之前主动向东南方向撤走，以免被包围消灭。原定坚守三天的卓资山，实际只守了八个小时，远远未能完成预定防守计划，更伤亡500余人。
在得知傅作义所部出动时，张宗逊即同晋察冀军区副司令肖克一道率晋绥第三五八旅和晋察冀的肖应棠旅等部驰援卓资山，但是援兵还未赶到，卓资山已失守。而此时解放军方面已，决定首先消灭傅作义增援部队后再打大同，由杨成武指挥晋察冀第三纵队和接替三五八旅的晋绥独二旅等部队，继续围困大同。由张宗逊和罗瑞卿指挥晋绥三五八旅和晋察冀第二纵队肖应棠的四旅、教导旅临时组成的陈正湘纵队集中打缓，并急调杨得志、苏振华的晋察冀第一纵队向集宁增援。
傅作义所部占领卓资山以后，中央军委的电报估计其可能有三种动向：一、是在卓资山呆着不动；二、仍旧考虑凉城、丰镇为敌之主要增援路线，向凉城推进；三、才是进攻集宁。因此决定在麦胡图附近集结部队，以观其发展。
但是解放军各部队尚未到达麦胡图地区，即发现傅作义所部的暂编十一师、十七师、新编三十一师，已从卓资山经平绥铁路以北的火石坝秘密东进。8日，到达集宁西北地区隐蔽集结向集宁推进。解放军各打援部队只能急速转向集宁前进，指挥部和先头部队9日赶到集宁南郊。
10日上午8点，解放军先头部队在集宁西南山地和傅作义所部警戒部队接触，以声援集宁守城部队。傅作义所部以三个师攻集宁城，而解放军守城部队仅为绥蒙军区两个由游击队编成的小团，集宁城又没有完整的城墙，解放军只能依据城内工事，与从西面、南面攻城的**展开巷战。当天，第三五八旅和独一旅经过上百里行军赶到集宁城，立即投入战斗，夺取了敌人的几个警戒阵地。
11日，解放军陈正湘纵队四个团也到达了。当夜，晋绥独一旅、三五八旅、陈纵队包围了攻城的傅作义所部，并发起攻击，将暂十七师、暂十一师击溃。同时杨苏纵队当天到达集宁附近。虽然12日中午，第三十一师和暂十一师残部在飞机配合下，攻占集宁城西南角，城内情况很困难，但是在杨苏纵队一个团进城增援之后。形式可谓转危为安。
此时只要解放军全线进攻，会同集宁守军里应外合，傅作义所部一线进攻三个师可以说插翅难逃。但就在这时，大同前敌指挥官张宗逊又犯了第二个错误，也是致命的错误，由于敌人傅作义所部的第一○一师和三十二师逼近集宁。张宗逊决定停止已开始的对集宁内外的攻势，抽调大部主力，西出大脑包山，以首先歼灭援军第一○一师。只留四纵第十一旅和城内守军与傅作义所部进行巷战，这样两个方向都形不成优势兵力。既未挡住傅作义所部的援军，也未能将其逐出城外，而集宁守军经1天多巷战，伤亡惨重，无法再战。负责警戒的陈正湘纵队一个团没能阻住敌人，独一旅和三五八旅一部又不得不回过头来阻击第一○一师，最终战场打成胶着状态。
下午三点左右，董其武派城外部分援军进城与城内敌军会合，攻击更猛烈，并集中炮火向守军主阵地电话局猛攻，同时以一个营兵力迂回进攻电话局后方车站，晚上八点左右，城内大部分阵地失守，到13日晚上十点，实在无法再守，绥蒙军区命令撤出战斗，转移城外，进入山区。而董其武所部又趁解放军军主力西去打援，又重新恢复了卧龙山，天门山，石灰山等阵地，并向小脑包山攻击，以策应第一○一师东进，夹击解放军打援部队。
而与援军第一○一师的交战也极为不顺利，解放军陈正湘纵队第一线部队正与陈正湘纵队在东土坑山激烈交战，独一旅和三五八旅一部援军奉张宗逊命令赶去增援，部队正隔着山运动，独一旅和三五八旅一部进攻山顶守军时，由于步兵进攻接近山顶，炮火须延伸射击，但因炮位低，距离近、山顶高，瞄准仰角必须加大，而仰角加大，炮弹即超越山顶而过。这样的越山炮弹，竟打了百多发。急得师长郭景云直跺脚，厉声命令炮兵，立刻修正角度，再把炮弹打过山顶，就要枪毙。
其实郭景云并不知道这些阴错阳差炮弹帮了他大忙，这些越过山炮弹，不偏不倚落在前山解放军的援军大部队人群中，前线指挥部又判断失误，以为这是傅作义大部队到达，有腹背受敌之危险，于是命令部队撤退。陈正湘纵队见独一旅和三五九旅撤走了，便自动绕集宁城向东撤退。陈正湘纵队撤走，集宁城内的傅作义所部得以恢复阵地，并和第一○一师、三十二师会合，而骑兵第四师也接踵而来，傅作义所部的兵力骤增到六个师。解放军守城部队伤亡较大，难以坚持战斗，再调杨苏纵队进城已来不及了，而且军委曾电示杨苏纵队伤亡不宜过大，我军遂于13日晚主动撤出集宁。
集宁得手，傅作义所部向大同增援，大同亦无法再攻，杨成武纵队不得不于9月16日撤围大同。傅作义以弱势兵力攻集宁，解大同之围战术目的可谓完美实现。傅作义先生当时多少得意忘形，授意手下在1946年9月20日《奋斗日报》发表了一封《致**的公开电》，文中言道：
“当你们溃退的前一天，延安广播且已宣布本战区**被你们完全包围，完全击溃，完全歼灭，但次日的事实，立刻给了一个无情的证明，证明被包围被击溃被歼灭的不是**，而是你们自夸所谓参加二万五千里长征的贺龙所部、聂荣臻所部，以及张宗逊、陈正湘、姚哲等的全部主力。我不相信这是一军事上的胜利，因为诚如你们所说，本战区**武器最劣，人数最少，战力最弱，而好战心理更不如你们，虽然失败，似乎是应该的。但我们没有失败，失败的却是你们，所以这不是一个军事上的胜利，而必须称之为人民意志上的胜利。在这次战役中，你们摆在战场的尸体，至少在二万人以上，我们流着眼泪，已经将他们掩埋了。你们在溃退途中，因恐怖**追击，竟至拼命奔逃，口鼻冒血，倒身路旁着比比皆是，这是一幅如何悲惨的画面，我不禁要问是谁杀死了他们。我按住心口问我自己，如果作战是为了我个人的私欲，或一个人的私利，那么是我杀了他们，我是一个最大的罪人，我应该遭受天谴。如果他们是在你的错误指导之下逞兵猖乱祸国害民，那就是你杀死了他们，在夜阑人静时，你应受到责备，受到全国人民的惩罚。”
可谓猖狂之极。但是朱德却特将此电分发全体将士一份云：“请将不如激将”。果然傅作义的电文引起全党全军的愤慨。据说，**当说了八个字；“不报此仇，誓不为人。”或许真正令**愤怒的并不是大同—集宁之败，则是这在报纸上以公开信或社论的形式揭人伤疤的本事，原应是他的拿手绝活。此刻却被傅作义反施己身，心中的郁闷和不爽自然不言而明。