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根据侦查，日军五原守备队的指挥部设在屯垦办及皮毛坊内，守备司令由水川夫中将兼任。
日军分别占据屯垦合作社、实行小学、天主堂、耶稣堂、平市官钱局等据点，并将各点互相打通，连成核心阵地，外围用铁丝网，满布地堡掩体。伪军王英部，驻防于西关，旧城及近郊村庄，筑有防御阵地及土堡，构成外围阵地。
其伪蒙李守信部驻守五原以西新公中、郝进桥、蛮克素、南牛犋、梅林庙等处，城西北的广盛西驻有重兵，并在乌加河、乌拉壕上架有桥梁多处，后方交通线亦派有敌伪军守护。
第35军在收复五原前，对敌兵力部署、防务、及后方交通运输等均作了详尽的侦察，并制定出收复五原的作战计划！
首先是派部队深入敌后，破坏交通线及所有桥梁，便于阴击增援之敌，孤立五原守敌。
同时派连长王步云等沿线侦察地形敌情，并伪装敌“宣扶队”混进五原城，详细侦察城内敌情，另派官兵乔装老百姓，混进了城内，替敌人铡草喂马、担水，以为内应。
此外还发动当地群众为向导，组织民众担架队、运粮弹队，支援作战。
更重要的是，反攻时机决定在下雪之后，大雪过后的河套平原寸步难行，特别是汽车、坦克、炮、骑兵等，更难活动。
12月26日夜12点，反攻战斗开始。
此次战斗由新31师师长孙兰峰任攻城总指挥，五临警备旅旅长徐子珍任副总指挥。
战斗开始后93团团长安春山率突击队800人，越过障碍，由五原城东南方面突入城内；新31师及五临警备旅山炮营，同时由五原西面攻进城关，向阳城义和渠以西之敌攻击；新32师向五原旧城广盛西、前后补红之敌猛攻；屯垦部队奋力攻进南门，并攻下了屯垦合作社等南街敌据点。
该部战斗中，**歼灭顽抗之敌近500名，肃清了南门及南街之敌，为攻城战中，立下首功。
突击队以奇袭战法，突入城后，分向纵深目标攻击，敌人有睡梦中惊醒，慌做一团，有的被打死炸死在迷梦中。
在拂晓前，**各部已经占领了实行小学、屯垦合作社、皮毛坊、日军司令部、天主堂、耶稣堂等重要据点，敌人粮弹库亦被我军占领。
城内未歼残敌，都聚集在屯垦办事处、平市官钱局两个据点内，抵抗待援。
经一夜激战，攻守双方伤亡皆都是极为惨重，但由于攻入城内的**使用了掏心战，打乱了敌军的指挥中心，内外各部因失去联系，惊慌失措，遭到各个击破，胜利的天平开始向着**方面倾斜。
在第35军进攻五原包头一线的同时，绥中武川县也有一支**部队完成了集结。
这支部队正是隶属于马铮所部的暂编第21师！
该番号是武汉会战后期军委会拨给马铮所部的，但是由于兵员不足以及其他原因，所以这个师一直都没有正式的组建，只是临时让集团军的直属部队客串了一下。
在回到绥东之后，马铮经过慎重考虑之后，便将这个师的番号拨给了大青山游击支队，并且将余建这名悍将调到这个师担任师长。
余建原本是铁血团的火力支援团第一任团长，在1935年跟随马铮进入察哈尔之后，曾多次荣立战功，并升任副旅长、旅长以及支队长，不久前被任命为暂编第21师师长。
经过几个月的调整和编组，部队终于完成了扩编工作，由只有两个团的游击支队一下子扩编到了下辖四个团的乙种师。
而此次进攻归绥的任务是他们扩编之后的第一战，所以不管是余建还是其他军官都非常的重视。
25日夜，在余建的命令下，全师主力全部出动，分别从归绥西北的武川县以及西面的土默特左旗以及西南方向的托克托县、和林格尔县同时发动进攻。
由于日军主力已经被调到了苏木山一线，归绥地区的日伪军兵力匮乏，各地的守军都只有两三百人，即便是归绥城里的日伪军加起来也不到千人。
面对一万三千多**主力的进攻，日军连反击的能力都没有。
归绥外围的几个县城接连被攻克，而后各路**合围归绥城。