吃了失败者的日本关东军，于11月24日开始进行军事反扑，已师寒冬腊月，绥远的大地被厚厚的积雪覆盖，日方妄图通过占领百灵庙，进一步扩大他们的侵略版图，在此囤积了大量兵力和物资，傅作义深知百灵庙战略意义重大，决心主动出击，给敌人致命一击，他精心挑选出孙长胜、孙兰峰等得力干将，组建了一支精锐部队，战士们个个斗志昂扬，怀揣着保家卫国的坚定信念，准备迎接这场硬仗，
11月23日晚，寒风呼啸，战士们在零下20多度的极寒中，身披白布，借着茫茫白雪的掩护，悄无声息地向百灵庙进发。车、马、人在雪地里艰难前行，积雪没膝，每一步都充满艰辛，但没有一个人退缩，凌晨一点，战斗打响。敌人凭借坚固工事和密集火力疯狂抵抗，子弹像雨点般扫射过来。战士们毫不畏惧，迅速向敌人阵地发起冲锋。一时间，枪声、炮声、喊杀声震耳欲聋，火光映红了雪地。战至四点，双方陷入胶着。天快亮时，若还无法取胜，一旦敌人的飞机和援兵赶到，形势将对我方极为不利。关键时刻，孙长胜和孙兰峰亲临一线指挥。袁庆荣精准指挥炮兵，为冲锋的战士们提供火力支援。尖刀连的战士们每班乘坐一辆汽车，如离弦之箭般向庙内猛冲。战士们与敌人展开了激烈的白刃战，喊杀声响彻云霄。经过一番浴血奋战，终于突破敌人防线，成功突入庙内。骑兵团也顺利攻占北山，控制了飞机场，切断了敌人的退路。日本特务机关长盛岛角芳见大势已去，率先逃窜，伪蒙军也纷纷溃逃，上午9点30分，中方的敢死队乘汽车突破防线，近战肉搏突入庙内，伪军全线崩溃，毙敌七百余人，俘虏三百余人，缴获重炮三门、步枪四百余支及大批物资，鲜艳的旗帜在百灵庙上空飘扬，晋绥军成功收复百灵庙。这场战斗，毙伤伪军众多，还缴获了大量武器弹药和物资。百灵庙的胜利，极大地鼓舞了全国军民的抗日信心，让人们看到了胜利的希望，这便是"百灵庙战斗"。
百灵庙战斗也让傅作义与晋绥军一战成名，这是自"九一八事变"之后，中方与日方多次战斗中，唯一一次以中方全胜大捷，并且收缴武器弹药为胜利结果的战争，中方部队基本完成了傅作义的军事部署。当然，最值得肯定得是百灵庙战斗的胜利，远比红格尔图战斗胜利更加有深远价值的意义，因为这是中国军队首次收复失地，大大提高了民众对于官方部队的认可，同时傅作义尝试新战术的成功，也可以继续复制传播到之后的战争场景中，百灵庙战斗是中国抗日战争，从被动防御转向主动反击的标志性战役，它不仅是绥远抗战的巅峰之作，更通过军事胜利、政治动员和国际影响
国际层面的舆论，普遍认为，这场战争的胜利，极大可能性的提升了中国抗战的话语权，尤其苏联的《真理报》给予了非常高的评价与肯定，英国的《泰晤士报》与美国的《纽约时报》更是评价这场战役可能是"东方反法西斯的转折点"。
从后续的历史事实来看，确实对于国共合作、苏公合作，提供了机会与条件，因为这场战役夯实了切断日方西进的通道，间接的保护了陕甘宁边区，为红军成为八路军提供了生长的优渥土壤，为之后开赴华北抗日创造了有利条件。