但是，东南一隅是鬼子布防重地，碉堡工事错综复杂，明暗火力点密布，而国军官兵缺乏攻坚训练，虽然舍命冲锋，却始终未能夺占敌军阵地。
下午4时，鬼子旅团长片桐茂率部突入城内，与守军会合，敌人防御力量得到极大加强。
孙兰峰看到战事陷入胶着状况，决心拼死一博，毅然命令预备队92团入城增援。正在此时，熊川讨伐队赶回包头，观察战场形势之后，由西北门方向进击攻城部队，双方旋即展开混战。
正当攻城之战愈演愈烈之时，打援之战也拉开了序幕。
……
“纳尼？包头城在请求增援？”
“混账，这帮‘七路半’果然没闲着，他们就不怕我们报复回去嘛？”
接到电报的多田骏和山下奉文无比恼火。
“傅作义当年在百灵庙就破坏了我们的好事。”
1936年，鬼子携“9·18事变”、“长城抗战”以及“冀东协定（即何梅协定）”一系列军事和外交胜利，便想进一步将绥远也纳入到自己的控制之中，便频频在绥远招募伪军，并在伪军中安插倭国“顾问”，以这些伪军为主体，试图将晋绥军挤出绥远。
1936年11月20－24日，时任绥远省主席兼35军军长傅作义将军采用奇袭制胜、先发制人的方法，命令骑兵第2师师长孙长胜、第211旅旅长孙兰峰为前敌正副总指挥，率部向百灵庙发起全面进攻。
百灵庙伪军守军3000余人以猛烈火力顽抗，激战至上午，晋绥军将敌军歼灭大半。
倭国特务机关长盛岛角芳、顾问烟谷草、川岛芳子以及伪蒙第7师师长穆克登宝最后狼狈逃窜，晋绥军胜利收复百灵庙，取得了百灵庙大捷。百灵庙大捷是中国军队自1933年长城抗战以来取得的又一次胜利。此次战役震惊中外，全国军民无不扬眉吐气、欢欣鼓舞。被称作“史迹昭垂，万世不磨”。
相应的，鬼子可是对傅作义又恨又怕；只是由于当时失利的是伪蒙军，倭国只有少量特务参与；而在山西抗战中，傅作义部虽然最终被安排防守太原，然而傅作义部毕竟在忻口之战中损失惨重，所能收拢守城的兵力不足3000。
因而哪怕傅作义极力防守，太原防守战3日便结束，此后伤亡较大的傅作义部休养了较长时间未参与大规模作战。
因而哪怕鬼子得知该部为主力建立了新的战区——第8战区，鬼子对傅作义部的评价依旧不高。
只是此刻这支部队居然敢在八路发起大同作战之时，忽然对包头城也发动反击，真是胆大包天。
“命令莲沼蕃必须死守住包头城，同时让多田骏尽快从北平出兵增援张家口，务必在3日内重夺大同，打通平绥路。”