1938年秋，傅作義部駐河曲、偏關，與駐晉西北岢嵐、五寨一帶的八路軍120師賀龍部進行聯(lián)防。邀請程子華、南漢宸、羅貴波等交流、聯(lián)歡，邀請八路軍政治干部指導政治工作，接受毛澤東贈送的論述抗戰(zhàn)的著作。翌年春，傅作義奉命組建第八戰(zhàn)區(qū)副司令長官部并兼任綏遠省主席，率部進駐河套地區(qū)。5月，在綏西百川堡(臨河縣新華鎮(zhèn))組織抗日建國討論會及下設的綏遠戰(zhàn)地動員委員會等，啟用從延安來的共產(chǎn)黨人及進步軍官潘紀文、崔載之等，積極開展全民統(tǒng)一戰(zhàn)線。

入冬，蔣介石令第八戰(zhàn)區(qū)副司令長官傅作義攻擊綏西安北大佘太以北高臺梁地區(qū)之敵，以牽制華北日軍。傅作義則建議蔣介石向包頭發(fā)起進攻，牽制華北日軍效果更佳。蔣介石采納傅作義建議。包頭是平綏鐵路終點，是日寇控制綏西的樞紐，也是進入寧夏的要地。日軍構(gòu)筑了堅固的防御設施，日寇駐軍約1萬人。在固陽、安北(大佘太)等設外圍據(jù)點。攻取包頭難度很大。

經(jīng)對敵我實力和戰(zhàn)局態(tài)勢分析，傅將軍采取奇襲戰(zhàn)術，兵分四路進取包頭。第一路：臨時歸傅作義部指揮的蔣介石直屬部隊騎兵第7師門炳岳部。在包頭東，薩拉齊東西沿線破壞鐵路、橋梁，斷敵東援。第二路：31師孫蘭峰部。乘夜避敵外圍據(jù)點，直插包頭，組織突擊團，直搗敵指揮中心，并分別圍殲敵人。第三路：101師董其武部。直插包頭西北面，阻止前口子等外圍據(jù)點增援，并協(xié)同31師從北面進襲包頭。第四路：新建32師袁慶榮部。截擊安北、固陽方面增援之敵，并及時支援攻城部隊。各路軍于12月15日行動，夜行晝伏，于19日午夜前先后到位。孫蘭峰部93團在包頭西門架云梯時，有偽蒙哨兵說“中國人不打中國人”，并帶路殲滅守西門日軍。董其武部302團進至昆都侖召時，與敵援軍遭遇，俘虜偽蒙軍團長于振瀛等近300人。傅部官兵奮勇頑強，且有民眾支持，大勝。至21日晚，敵增援部隊自歸綏、大同、張家口陸續(xù)開來。牽制華北日軍之目的已達到，遂全軍轉(zhuǎn)移五原，董其武部后衛(wèi)阻擊，后沿烏拉山南麓西撤。

此役殲滅日偽軍3000余人，汽車百余輛，坦克3輛，軍需無數(shù)。擊斃敵聯(lián)隊長小林一男大佐和小原一明大佐及軍官20余名。張家口的日本蒙疆駐屯軍集團司令官岡部直三郎氣急敗壞，組織大量軍力反撲，未及一月，分三路再犯綏西。左翼由小島的騎兵集團、第二混成旅及王英的綏西聯(lián)軍，沿黃河兩岸大部經(jīng)西山嘴，小部過馬七渡口入侵。中路主力由黑田重德第26師團經(jīng)固陽、大佘太，從烏不浪口進犯五原。右翼由偽蒙騎兵約3個師，經(jīng)中公旗(今烏拉特中旗)進犯兩狼山、太陽廟。傅將軍沉著應對，預設陣地，采取誘敵深入、兩面夾擊之術欲速殲敵主力黑田部。各部按計劃行進，唯奉命在烏不浪口御敵的馬騰蛟部御敵不力，遇敵即撤，使戰(zhàn)局突變，董其武等隨機應變。自1月底日寇從包頭出發(fā)，分路進犯，沿途重遭伏擊、阻擊，代價慘重。2月3日侵入五原，后相繼侵入已空室清野的臨河、陜壩。日指揮官黑田中將造勢：綏遠全省為日軍占領，傅作義全軍覆沒，傅已逃匿，等等。綏、張敵方媒體亦逢迎吹捧。黑田在五原開歡慶會、委王英為“綏西自治聯(lián)軍”總司令。

2月下旬，傅將軍令袁慶榮32師為主，攻臨河、陜壩，遂收復。此役史稱“綏西戰(zhàn)役”，共斃傷敵2100余，摧毀敵汽車百余輛，坦克5輛，戰(zhàn)馬300余匹。2月26日晚，傅將軍在亞麻來指揮部駐地召開團長以上干部會議。會議作出1個月內(nèi)收復五原方案。3月15日各部分別行動，19日各部到達預定地點。31師安春山團、綏遠游擊軍曹子謙團和五臨警備旅閻蘿云營組成的主攻突擊隊于20日秘密向五原運動，至暮色時分，突占城門，有如神兵自天而降，頃刻間，殘敵逃集于日寇指揮部，憑借堅固工事和精良裝備死守待援，雖反復沖殺，久攻不克。傅將軍令31師副師長王雷震率師部預備隊令狐理營馳援突擊隊。仍難以攻克，后采納連長孫英年秘密用山炮平射墻堡工事之法獲勝。日軍水川伊夫中將、特務機關長桑原中佐及偽綏西聯(lián)軍中將王英尋隙逃竄城外，至烏梁素海西岸劉家窯子附近桑原中佐被擊斃，王英逃至西山嘴被新五旅安華亭放走。

綏西民眾同仇敵愾，五原城東王大老虎與其弟王二老虎手刃日兵11人，百川堡小腳女劉氏大娘發(fā)動婦女支前，烏加河老鄉(xiāng)劉大寬、郭四毛旦救養(yǎng)誤以為犧牲的303團團長宋海潮，實可歌可泣！至3月22日，五原新舊城收復。共斃日軍中將水川伊夫等大佐、中佐、少佐、尉官等軍官300余名，士兵1100余名，斃傷偽蒙軍3000余名。生俘日軍指揮官觀行寬夫等50余名，俘虜偽蒙軍1800余名，獲火炮30余門、汽車50余輛、輕重機槍50余支，其他軍需甚多。

傅作義屬下團長賈世海、營長趙壽江、閻蘿云、馮增波及連排長30余為國捐軀。輕重傷者亦多。五原戰(zhàn)役媒體稱“五原大捷”，抗戰(zhàn)軍民為之振奮。4月17日國民政府特電嘉獎：“……不僅保障西北，而且奠定收復失土，驅(qū)逐敵寇之基礎。在抗戰(zhàn)全局上，關鍵尤為重要，功業(yè)彪炳，殊堪矜式。特頒給傅副長官作義最榮譽之青天白日的勛章。”但傅作義當時并沒有接受。