根据上述敌情，晋绥、晋察冀两军区决心乘胡宗南，孙连仲两部主力未到平津之前，发起绥远战役，消灭傅作义主力部队，争取解放绥远省全境，以解除或减轻华北解放区的西顾之忧，巩固以张家口为中心的战略基地。
晋绥、晋察冀军区准备参加此次战役的兵力共计39个团，5.3万余人。晋察冀军区有冀察军区的郭天民纵队，冀中军区的杨成武纵队，冀晋军区陈正湘、王平纵队，这3个纵队约3.5万人；晋绥军区有358旅，独立第1、第2、第3旅，还有绥蒙军区骑兵旅，约1.8万人。
两个军区的参战部队统一由贺龙、聂荣臻两位司令员指挥。针对敌军布阵的特点，正面比较宽阔，全部主力摆在丰镇至归绥的铁路沿线，而外围各点，如隆盛庄、三水岭、张皋镇、凉城、新堂等地，在地理上处于相对分散的状态，外围诸点的兵力配置，除了傅作义部骑兵第4师位于隆盛庄、张皋镇外，其余各点多系新收编的伪军。这样，就有利于两个军区的部队给予分割包围各个歼灭。
因此，晋绥和晋察冀军区的决定是，用晋察冀野战军主力从东面向西攻击，首先抓住隆盛庄、三水岭、张皋镇三处突出之敌消灭，然后猛向西进，割断丰镇、官村、红沙坝与集宁等地之敌的联系，加以各个歼灭。用晋绥军区主力部队由南面向北进攻，首先消灭凉城、新堂、天成村之敌，再指向归绥和卓资山，绥蒙军区骑兵旅则由北面商都出发向南打，直插卓资山。各路部队协同作战，第一步目标是会师卓资山，目的在于聚歼傅作义主力部队，为解放绥远全境奠定基础。
5、 创举：两大兵团协同作战
两支部队协同进行大兵团作战，无论是对晋察冀部队还是对晋绥部队来说都是第一次，如何搞好战役的协同作战，是聂荣臻和贺龙一直思考的一个问题。他们共同商定了这一次战役的具体部署：晋察冀部队从东向西进攻，首先歼灭隆盛庄、张皋的敌人，而后，各个击破丰镇、集宁间的敌人；晋绥部队由南向北进攻，消灭凉城、新堂、天成村之敌后，向集宁方向发起进攻；然后，两区部队继续协力歼敌主力于绥东地区。
10月15日，聂荣臻发布了绥远战役命令，随即率部西进。18日、19日各部队展开了进攻：冀察冀纵队取隆盛庄；冀中纵队取张皋、三水岭、官村；冀晋纵队一路向聚乐堡，一路向红砂坝、丰镇。很快攻占上述各点。与此同时，晋绥军区部队占领了凉城、新堂、陶林等地，向卓资山疾进。
在两个军区部队联合进攻下，傅作义急忙收缩，采取“一触即退”的战法，迅速向大本营归绥集中。由于傅部撤退迅速，晋察冀与晋绥作战部队未能将敌人的退路切断，聚而歼之。敌人集中重兵于坚城之内，造成攻坚上的巨大困难。
10月22日，在集宁的敌35军军部和101师成了孤军。傅作义起家的老本钱便是35军，这是当年张学良给他的番号。而35军的主力又是101师。如果把这股力量消灭掉，将是对傅作义的沉重打击。聂荣臻抓住了这个战机，当即决定以冀察、冀中两个纵队聚歼该敌，令冀察纵队立即进占集宁以西的十八台，切断敌人退路；令冀中纵队占领集宁以南的榆树湾、脑包山，从南、西南对集宁发起进攻。23日，冀中纵队占领了榆树湾、脑包山，击溃101师的1个团，并以一部兵力前出到集宁以西。敌35军军部和101师乘夜弃城西逃。24日，晋察冀军区部队占领集宁。25日，晋绥军区独立第1旅曾将集宁逃敌堵截在魁盛庄西北，但因后续部队未及时赶到，敌我兵力过于悬殊，经激战，敌人还是逃跑了。
10月25日，晋绥部队在卓资山打了一个漂亮仗，全歼敌新编第26师4000余人。聂荣臻立即发布命令，号召晋察冀军区部队向兄弟部队学习。
20日，聂荣臻的指挥所前移至隆盛庄。26日，他与晋绥野战军司令员贺龙相会。他们一起到了卓资山。两区部队会合了。27日，中央军委在给聂、贺的电报中强调：“此次作战，必须达成歼灭傅顽主力之目的，应将我主力运动到傅顽阵地背后去，由西向东打，方可聚歼。”据此，聂荣臻与贺龙、李井泉一起确定了下一步的作战部署：针对敌人约6个师撤进归绥，决定先肃清外围，合围归绥，再行攻城；另派一部分兵力趋向包头，切断傅部西逃之路，孤立归绥。
10月底，两区部队完成了对归绥的合围。11月中旬，晋绥2个旅、冀察纵队1个旅开始攻打包头。聂荣臻在陶卜齐设立了指挥所，指挥攻城作战。归绥守敌6个师2.4万多人，粮弹储备充足，决心固守。而聂荣臻所部全属初建，没有大兵团作战和攻坚的经验，又缺乏大炮，屯兵坚城之下，陷于僵持局面。不久，又从西线报来战况：攻击包头受挫，宁夏马鸿逵的一个骑兵师前出到临河，逼近包头。在这种情况下，11月13日他从陶卜齐绕到归绥城西与贺龙、李井泉会晤，再次商议下一步的决策。
聂荣臻和贺龙感到：我军兵力在归绥、包头虽略占优势，但劳师远征，供应困难，难为久计，且两区再要增兵都有很大困难，严冬即至，带来了更多不便，能拿下包头再回师归绥当然最好，否则不宜久滞坚城之下。他们决定由贺龙、李井泉率晋绥部队西进增援包头，晋察冀部队继续围困归绥。以上部署向中央军委作了报告。中央军委11月16日回电，令聂荣臻率晋察冀部队与晋绥部队一同西进，在归绥只留少数部队控制要点，作弹性围困。如果包头不能迅速攻占，晋绥部队西进消灭马鸿逵援兵，夺取五原、临河、陕坝；晋察冀部队主力控制包头至归绥中间地区，隔断归绥、包头敌人的联系，相机攻取包头，引敌出来，求得野战；晋绥部队完成任务后，留一部分部队控制五原、临河、陕坝，主力回师东进，与晋察冀部队再攻归绥。
这是一个倾全力取包头而置归绥于不顾的方案。聂荣臻对这一方案的能否成功颇为担心，于11月17日实事求是地向中央军委提出如下建议：
第一，如果晋察冀部队主力西进，围城部队即转为劣势，而敌人必然乘机反击。“因傅顽以主力固守绥城，并非单纯防守，而系取积极防御，连续主动的出击，企图寻求机会对我各个击破……如我围城部队转为劣势，敌必集中力量向我反击，则全部战局有恶化的危险。”
第二，如以全部主力西进，去夺取五原、临河、陕坝，这样，就分为归绥、包头、河套三个战场，相距800余里，势必兵力分散，三处力量皆弱，难以相互策应。
第三，绥远地区并非根据地，没有巩固的后方补给线，粮食、弹药无法迅速前运，伤员后送也是个大问题。
因此，他主张先打几仗再看情况，必要时结束绥远战役。中央军委11月22日复电，仍主张聂部主力西进，集中力量攻取包头。但又指出，“我们对于前方情况不了解”，希聂、贺根据前方实际情况处置。此后，直到12月上旬，晋察冀、晋绥部队在归绥、包头都曾采取围城打援的办法，击退了归绥出击的骑兵第4师；包头方向击退了马鸿逵部骑兵第10师的增援，但歼敌不多。此时严冬已至，部队困难日多。于是，经中央军委同意后，聂荣臻于12月13日下达了结束绥远战役的命令。
6、 警卫员上战场
晋绥部队在卓资山战斗时，贺龙于24日也到达卓资山附近，并立即奔赴前线。警卫员担心贺龙的安全，上前劝阻说：“老总，危险啊！你不要到前面去了。”
贺龙一听，生气了，手握烟斗指着警卫员们说：“你们是怎么搞的嘛？打仗，能没有危险？不能因为有点危险就失掉战机！让我走！”警卫人员无可奈何。
当贺龙来到358旅指挥所时，旅长黄新廷、政治委员余秋里大吃一惊，他们说：“老总，你怎么到这里来了？这里危险啊！”
贺龙也不答话，拉着他们要到前面去观察敌情。
旅长、政委赶忙拦阻：“老总，敌人的炮打得很厉害，不要再往前啦。”
贺龙瞪了他们一眼说：“打仗还怕炮弹？走嘛！”
在他了解到卓资山守敌有逃跑迹象时，马上指示说，要不失时机地发动攻击。不要因为我们部队刚刚赶到，不熟悉情况而丧失时机。你们要一面加速查清敌情，一面部署战斗。情况变化了，随时可以调整，不能按部就班。他决定，黄昏时分，发起攻击。随即命令：358旅担任主攻；独1旅（两个团）在卓资山东面阻击集宁来援之敌；独3旅进占卓资山以西、以北地区，断敌逃路，并准备阻击归绥来援之敌。这时，部队从抓到的“舌头”那里查清了盘踞卓资山的敌人是何文鼎的部队。
贺龙听到报告，精神一振，指着卓资山方向说：“何文鼎？好嘛，他是我们的老对头了（按：何文鼎的部队在抗战期间长驻陕甘宁边区北方的桃力民，参加对边区的包围），这次一定要敲掉他。”他告诉358旅旅长说：“你们一定要集中兵力攻击龙山湾北侧高地和西山顶。那是两个制高点，又是何文鼎的侧后，拿下它，对于打垮何文鼎的防御作用很大。”他反复叮嘱：这一仗，要打得快，打得猛，打得好！速战速决，力争全歼。他说：“速战，我们才能够各个击破增援的敌人，全歼，就会使盘踞归绥的敌人士气沮丧，为战役发展创造条件。你们告诉部队，要英勇顽强，猛打猛冲，活捉何文鼎！”
24日晚8时，攻击开始，主攻部队勇敢机智，迅速占领了制高点，而后，穿插分割，逐一歼敌。他们充分发挥了夜战、近战的特长，战斗发展异常迅速。
战斗打了一夜，贺龙在指挥所里一夜未眠。在战斗最激烈的时候，他对警卫班的战士们说：“你们呆在我身边干什么？赶快去参加战斗。我现在用不着你们，一个人也不用！战场上多一个人，胜利就会来得快一分，快去！”
贺龙身边的警卫人员都是从基层挑选出来的共产党员，谁不想上战场去与敌人厮杀？首长一开口，一个个都奔向了枪声最激烈的地方。当然，他们并没有忘记留下几个人保卫首长的安全。
25日上午，战斗胜利结束，全歼新编26师4000余人，俘虏了中将师长张士智，可惜，在押解途中逃跑了。何文鼎呢？战斗刚一打响就偷偷溜走了。
7、 盘点
此次战役，晋绥、晋察冀两军区参战的全体指战员英勇奋战近50天，给予傅作义军队以严重打击，消灭了67军的新26师、新31师的91团、骑兵第4纵队的1个支队；包括傅作义的嫡系部队和新收编的匪、伪军，共计1.2万余人；收复了绥东地区的丰镇、集宁、陶林、凉城、和林、卓资山6座县城，使拥有60万人口的绥远地区重获解放。受苦难的绥远人民亲切地称“晋察冀与晋绥部队”为“菩萨军”。
此次战役，从军事意义上看，虽然未能完全达到预期目的，按歼灭敌军有生力量来说，算打了个平手。但是，毕竟挫伤了傅作义军队的锐气，迫使傅作义部队退缩在归绥、包头线上，据巢固守。对于中共新解放的张家口基地，减轻了来自西面的威胁，并为而后发展绥东和雁北解放区打下了有利基础。
此次战役，更为重要的是阻止了傅作义部队长驱东进，这就粉碎了蒋介石集团企图割断西北、华北解放区之间联系的阴谋，对巩固中国共产党和八路军在北方的地位、争取全国和平局面的出现是极其重要的。
从这个意义上说，绥远战役的胜利和晋冀鲁豫军区取得的上党、邯郸两大战役的胜利相互辉映，有力地配合了中共代表在重庆的谈判，促进了停战协定的签订，鼓舞了解放区军民保卫抗战胜利果实和粉碎国民党进犯军的胜利信心。