傅作义的第三十五军当初抗击日军修建的工事位于包头城东、城北、城南这三个方向，而城西没有修建任何防御工事，日军攻下包头，没有想到会遭到中国军队的进攻，将兵力分散配置在归绥守卫运输线和绥远与宁夏交界处的虹牛子湾与第三十五军对峙，骄狂的日军第二十四联队联队长藤川广一贸然出击鄂尔多斯右旗，全军覆灭，致使本来就兵力空虚的包头仅剩下两千弹药匮乏的守军，两千守军出城阻击三万中国军队无异于飞蛾投火，日军能够依仗的仅是城中的建筑物，凭借城中建筑物与中国军队打一场巷战。虹牛子湾的日军第14联队建制还算完整，但是虹牛子湾距离包头实在太过遥远，第14联队又被第三十五军牢牢牵制住，第14联队是不可能回援包头的，包头守军唯一能够指望的就是归绥的第46、48联队，这两个联队在入侵绥远期间是与第三十五军作战的主力，两个联队将近八千多人被第三十五军拼掉一多半，残部不足四千人。即便这些日军回援包头，也不足为虑，因为日军弹药匮乏，玩近身肉搏，六千鬼子是如论如何也干不过三万土著的，如果归绥日军有足够的理智，杨成武相信归绥日军不会去驰援包头，那样做与飞蛾扑火没什么区别，包头日军无法解围，自己也会搭进去。
翌日清晨，红军从包头西面发动了进攻。日军龟缩在城内，故意将三万土著放进城区，土著与日军展开激战。日军弹药很快就耗光了，双方以冷兵器进行生死搏杀，如果是在空旷地带，估计战斗顶多十几分钟就会结束，可是在城区内土著士兵四处搜寻躲藏起来的残余日军，颇费了些时间，而且在搜寻日军过程中，一些土著士兵也伤害了许多中国百姓，战后红军对这些土著士兵进行了严厉惩罚，对于罪不可恕的土著士兵当众枪毙，以儆效尤。下午三点多钟战斗结束了，红军以伤亡七千多土著的代价，消灭了两千多名日军，收复了包头。察哈尔日军援军一旦赶过来，包头势必会被围困，所以杨成武没打算守卫这座注定无法防守的城市，按照红军战前与国民军达成的协议，包头城内数万百姓都将被红军带回清水县交给国民军，从国民军手里交换粮食和食盐、火药等物资以及土著士兵。在两万多土著士兵的协助下，数万包头百姓肩扛手提生活用品，排着长长的队伍向清水县城缓缓行进，后面是两万多协助百姓运送物资的土著士兵，能够带走的东西全部带走了，给日军留下的只是一座座空荡荡的建筑。
杨成武将包头百姓送到清水县城，从国民军那里得到了三万土著士兵和三百万斤稻米、咸鱼干，五万斤食盐、一万斤火药，这些将是红四团坚守鄂尔多斯右旗的资本。红军搬空包头数日后归绥的日军第46、48联队得到了弹药、粮食补给，日军将运送补给的两千日军强行编入部队，六千鬼子气势汹汹地杀奔鄂尔多斯右旗，发誓要为被红军消灭的数千袍泽报仇雪恨。
日军弹药充足，不计代价地向红军阵地发射密集的炮弹，土著士兵和红军官兵躲在战壕里的防炮洞里，外面是炮弹炸起的冲天的烟尘和气浪，此起彼伏的爆炸声如同重锤一下下敲击着地面，地面在不住颤抖，防炮洞仿佛不堪重负，顶部、墙壁的泥土不住簌簌下落，支撑土洞的一根根粗大原木发出咯吱吱的骇人声响。一线阵地的土著士兵们从未经历过这种场面，吓得面如土色，身体蜷缩成一团瑟瑟发抖，即便红军中参加过长征的老兵也是第一次见识这样密集的炮火齐射，几个防炮洞被炮弹直接命中，索性防炮洞外面铺了几层沙袋，上面又覆盖了厚厚一层冰，日军75毫米野炮发射的炮弹并不能将洞顶掀开，只是将冰层炸开，沙袋炸散了而已。
日军的炮火进行延伸射击后，黑压压的鬼子兵再一次涌上阵地，当日军冲到距离一线战壕二五十多米的时候，土著士兵、红军战士纷纷从一个个防炮洞里跑出来，在战壕里各就各位，此时日军距离战壕不过十几米，土著士兵、红军战士向日军投出炸药包，随后跳出战壕，端着刺刀，挥舞着大刀、长矛与日军展开白刃战。杀退了日军，趁着鬼子撤退之际，战士们快速打扫了战场，带着缴获的武器、弹药回到防炮洞，不久日军的炮弹就飞过来，这一次炮击比以往都要猛烈，几个防炮洞在先前的数次炮击中顶部的覆盖物被炸散，在这次炮击中这些防炮洞没能扛过去，被日军发射的炮弹直接命中发生了坍塌，将里面的土著和红军战士埋在下面，等其他防炮洞的战士们不顾危险手忙脚乱地将他们挖出来的时候，很多人都已经没有了呼吸。红军与日军从下午拼杀到夜里十点多钟，日军在前沿阵地附近扔下一千三百多具尸体，而红军和土著士兵也伤亡了四千多人。后半夜牛小山带着一万土著士兵赶到战场，这一万土著是牛小山从加里曼丹岛带过来的，这些土著士兵被编入了国民军。红军、国民军分别从南、西两个方向向日军发动了夜袭，国民军悄悄摸到距离日军营地不足两百米的地方，架起五十多个炸药抛射器向日军营地发射炸药包，日军营地被炸得火光冲天，趁着日军陷入混乱之际，五万土著士兵一股脑地涌进日军阵地，连续激战了七八个小时的日军刚躺进帐篷睡了两三个小时，就被国民军投掷的密集的炸药包炸醒了，睁着沉重的眼皮，端着刺刀咬着牙投入了战斗，而五万土著士兵至少有一多半人养精蓄锐，土著士兵们像饿狼一样扑过去，抡起大刀，挥舞扎枪将一个个鬼子兵杀死。日军的反应很迅速，很快就摆脱了最初的慌乱，将兵力收缩成一团，组织起密集的火力，日军的火炮发射的炮弹撕开重重夜幕，机枪子弹将四面八方涌过来的土著士兵成片成片扫倒，日军的阵地就如同一个浑身长满坚硬刺的刺猬，无论从哪个方向进攻都会遭遇密集的火力打击。红军战士冒着日军凶猛的炮火，将所有的炸药抛射器前移至距离日军阵地两百多米的地方，向日军阵地抛射炸药包，三轮齐射后日军正面阵地上的火力点大部分被摧毁，许多鬼子被强烈的爆炸活活震死。日军的炮弹雨点般落在炸药抛射器阵地上，来不及转移阵地的两百多名红军官兵瞬间就被四处横飞的弹片、遮蔽天地的硝烟淹没了。然而他们的牺牲为日军的覆灭创造了条件，被日军火力压制住，停滞不前的土著士兵们终于涌进了日军的核心阵地，经过三个多小时的殊死搏杀，数千日军被全部歼灭。
歼灭日军第46、48联队数日后，红四团先后收复了包头、归绥这两座绥远最重要的城市。1936年12月12日5时，东北军在西安扣押了蒋介石，逼迫蒋介石接受停止内战，联共抗战的主张，这就是历史上著名的西安事变。1937年1月3日中央红军从陕北调过来五千红军官兵，以这新过来的五千名官兵和红四团为骨干，在包头组建了绥远独立旅，独立旅下辖六五八团、四团、六八六团三个步兵团以及一个炮兵营，宋时轮被任命为独立旅旅长，杨得志、杨成武、杨勇分别担任六五八团、四团、六八六团团长，宋时轮兼任炮兵营营长，全旅共一万三千人，其中有七千人为土著士兵。红四团在绥远缴获了大量日军武器装备，足够装备三个步兵团和一个炮兵营，绥远独立旅全部换装了日式装备。
傅作义的第三十五军从包头退到宁夏与绥远交界处兵力已不足一万人，加之粮弹匮乏、伤员得不到医治，部队官兵中普遍弥漫着失败情绪。追杀到虹牛子湾的日军第14联队也好不到哪去，日军第14联队人员不足三千，平均每个士兵弹药盒里装着的子弹仅有十几发，炮兵大队的炮弹不到一百发。日军无力越过冰封的黄河消灭第三十五军残部，第三十五军也没有余力围歼这伙日军，于是双方就在那里一直对峙着。直到日军第14联队获悉日军第46、48联队在鄂尔多斯右旗遭遇全军覆灭的消息，这种对峙状态才宣告结束，在那天夜里第三十五军的官兵发现黄河对面日军打着火把排着长队离开了一直坚守的阵地，头也不回地向东走过去，第三十五军还没有得到日军第46、48联队覆灭的消息，傅作义生怕日军有诈，没有派遣部队过河追杀，错过了一次千载难逢的重创日军的机会，让日军第14联队安然脱身。
日军第14联队虽然摆脱了第三十五军，可是现在在整个绥远也只有这一支孤军，内无弹药粮草，外无援军，撤退的路上又会遭遇红军绥远独立旅一万多官兵的拦阻，可谓前路渺茫、山穷水尽，这个时候所有的人都以为这些日军会向包头撤退，可是大家都想错了，日军第14联队却中途改变了方向，向鄂尔多斯右旗杀过来。