随着作战命令的下达，第35军各部夜行昼伏，与6月7日前基本上抵达了预定的进攻位置。
其中101师已到达五原西北40华里的陈旺圪旦附近，新31师、新32师已到达五原西云柜什巴圪图地区，骑7师已推至乃马召。
因为行动秘密迅速，日军并未察觉，为突然袭击五原创造了有利条件。
7日白天部队偃旗息鼓，全部进入休息状态，等到太阳一落山，日军的侦察机回窝后，大批的国军纷纷露出头来开始活动，秘密向五原县城开进。
夜12点，反攻战斗打响。
此战前敌总指挥由新31师师长孙兰峰担任，五临警备旅旅长徐子珍任副总指挥。
战斗打响之后，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。
与此同时，新31师在缺93团的情况下，在五临警备旅山炮营的配合下，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203旅奋力攻进南门，并攻下了屯垦合作社等南街敌据点。
在五原战斗打响的同时，傅宜生亲率第35军主力一部五千人在临河通往五原的公路上设伏，静等临河日军的增援。
战斗一开始就进入了白热化阶段，突击队在攻城战一开始，国军就阵亡营长2员，连长7员，但他们也在城内部队的配合下攻破五原城，歼灭顽抗之敌近500名，肃清了南门及南街之敌。
突击队以奇袭战法，突入城后，分向纵深目标攻击，日伪军由睡梦中惊醒，慌做一团！
有的干脆在睡梦中被击毙，根本就没有做反抗。
凌晨一点，国军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。
不过此时临河与包头的日军也接到了五原城日军的求援电报，当下包头的日军总指挥官小岛吉臧中将立即命令临河的日伪军立即增援五原。
同时鉴于临河城守军有限，且距离国军的核心统治区太近，遂决定放弃临河城。
凌晨两点，临河日军将能携带的物资全部带走，带不走的一把火烧了，而后主力在上百辆马车的配合下赶往五原城。
然而当部队刚刚走到刘召就遭到了国军的伏击，一千多日伪军面对六千多国军主力的进攻，顿时被打了个措手不及。
血战一个多小时，五百多日军被围歼，剩余的则是借着战马顺利突围，但是百余车物资却成了第35军的战利品。
与此同时，五原城经一夜激战，敌我双方均伤亡惨重，但城里的守军最终在天亮前被歼灭。
出于国军攻入城内的掏心战，打乱了日军的整体部署，尤其是指挥系统被摧毁的情况下，日军内外各部因失去联系而变得惊慌失措，遭到各个击破。
截止6月8日上午，五原城及其外围据点大部分被攻克，302团将乌加河二财主圪旦守桥敌军一个团击溃、俘虏多人，随将桥梁破坏。
新6旅亦于8日拂晓前，将乌拉壕、万和长桥梁守敌击溃，将桥梁破坏，有力地阻敌增援。
及至8日晨，尚有五原旧城以及前后补红、广盛西之敌仍在抵抗中。
由南茅庵向郝进桥、蛮克素进攻的李作栋部击溃守敌王英部后，跟踪尾追。
骑七师由乃马召向新公中进攻，绥西警备军曾顽强抵抗，因受挫只得回师救应五原。
这时五原内外之敌，皆处于腹背受攻之境，大部溃散，多部就歼，残部除五原城内屯垦办事处和平市官钱局、旧城、前后寂红、广盛西、黑头圪堵及新公中之敌，尚在垂列换气待援外。
8日晨，各线敌伪阵地均被击破！
上午十点，驻守包头的12架日机即临五原上空低空盘旋侦察，但因国军当夜攻下日军的各据点时并没有来得及扯下太阳旗，所以敌机不敢投弹，反把增援中的日军守备队炸伤炸散。
战到8日夜十点，五原旧城日军被全歼，城外的部分部队突围，至此临五战役结束。
此战共打了二十多个小时，第八战区共出动兵员3个步兵师两个旅外加一个骑兵师，合计三万八千余人，几乎将日伪军在河套平原的势力连根拔起。
更重要的是，经此一役，第八战区也基本上确定了李国耀所部发来的情报的准确性，绥远地区的日军主力确实遭到了重创。
不然的话，这么大的战斗包头的日军不可能没有动静的。
毕竟五原和包头的关系可是唇齿相依的，五原要是被国军收复了，那么下一个被攻击的目标就是包头了，这个道理小鬼子不可能不知道。
但是眼下他们却始终没有增援，这说明包头城的日军也没有多少了。
当下，在攻克五原之后，傅总司令当即命令所部精锐留下少量兵力维持五原、临河等地的治安，主力部队立即东进，攻打包头。
国军攻打五原和临河的消息很快就传到了驻蒙军司令部，在了解了包头等地的实际兵力之后，甘帕重太郎整个人都不好了。
河套地区的守军只有五千多，而包头的守军也好不到哪里，也不过五千余人，算上从五原等地撤下来的千余人，加起来也不过六千人。
而这些部队还被分散在达拉特、固阳、九原以及萨拉齐、达茂旗等地，相当的分散。
一旦傅宜生所部主力围攻包头，后果不堪设想。
想想去年傅部就曾集中主力突入包头城，给守军造成了巨大的损失，当下甘帕重太郎决定立即增援包头。
但是由于平绥铁路已经被李国耀所部阻断，地面上的部队想要短时间内增援包头几乎是不可能了，随即甘帕重太郎向华北方面军司令部求援，希望可以调集空降兵增援包头。
接到驻蒙军司令部的求援电报之后，冈村宁次沉默了！
绥西的情况他已经知道了，也明白如果不对包头的皇军进行有力地支援的话，后果不堪设想。
一旦支/那人攻占包头，那么他们就会再次向东推进，到时候不但大日本皇军可能被赶出绥远，甚至于连绥远地区仅剩的这点兵力也可能被其全歼，帝国对蒙疆地区多年的经营将毁于一旦。
但是对于派伞兵增援包头守军，冈村宁次却顾虑重重，不是他舍不得手中的这支伞兵，而是他对这支部队真心没底啊！
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