资向集宁进犯，我军以3个旅守城，主力部队5个旅集结在集宁以南，拟乘敌人进攻集宁时突击其侧背。但是，由于我军侦察不细，通讯联络不顺畅，没发现敌暂编第一一七师、第十七师、新编第三十一师从铁路北面秘密东进，在集宁西北集结。当发现这股敌人时，指挥部急忙把主力部队的5个旅调往集宁，决心首先消灭敌增援部队，然后转移兵力攻取大同。
塞外9月，夜晚已经结冰了。华北我军身穿单衣的战士们不畏风寒，从四面八方奔往集宁。10日，敌人秘密东进的3个师在空军的配合下，从西北两面向集宁外围我军发起攻击，虽然一度攻占我卧龙山、南营房等地，但随着我军及时地调整部署，这股敌人最终陷入我四面包围之中。经过一天两夜激战，敌被歼5000多人，西退的道路被切断，电台被我军炮火打坏，陷入了走投无路、呼救无门的绝境。
战机悄然降临。这种导致全局胜负的战机十分宝贵却也稍纵即逝。这时候，如果我军一鼓作气，不但能全歼这股敌人，集宁也能顺利攻克。但是，初上解放战场的我军似乎还缺乏大规模整体作战的经验。关键时刻，我军大同前指没有完全掌握集宁敌人的情况。一天没有组织连续进攻，却转兵西进，去围歼来援的敌第一零一师。这就给敌新编第三十一师、暂编第十六师及第一一七师残部以喘息和整顿的机会。
12日，援敌在空军配合下攻入集宁城内，我军就难以歼灭集宁之敌了。
面对形势，我军前线指挥员冷静决定，13日晚撤出集宁。
到手的胜利失之交臂，令人十分遗憾。聂荣臻闻此消息，痛感我军经验不足，良久不语。
集宁一战失利，大同也不宜再攻了。
大同、集宁一战，对晋察冀和晋绥军区都带有初战的性质。在一个半月的转战中，我军歼敌1.2万人，但未能达到攻城、打援的预定目的。
大同、集宁战役，华北我军虽未能达到预定目的，但算不上失败。可此战却促成了南京国民党的一场闹剧。也许是为了鼓劲打气，也许是为了向世界证明些什么，南京的国民党报纸、电台对这次战斗大肆渲染，甚至不可一世地发表了致毛泽东的公开信。信中称：“被包围被击溃被消灭的不是国军，而是你们自夸的所谓参加‘二万五千里长征’的贺龙所部、聂荣臻所部……的全部主力。”
战后，国民党第十二战区司令长官傅作义客观地说：“集宁会战，按当时的情形，我们是相当的危险，很有失败的可能。最后能得到胜利，我认为是一个侥幸。……第一零一师参加战斗之后，共产党犯了一个错误，就是在12日晚上，他没有去攻击新编第三十一师，而去全力打第一零一师，这是共产党失败的原因。如果那天晚上，去攻新编第三十一师，我们的情况就相当危险了。”
晋察冀军区的指战员从敌人的广播中听到这封信时，人人怒火中烧，愤慨之极！
战后不久，朱德总司令拿着这封信对一位部队领导同志说：“向连以上干部宣读，这叫激将法。人家骂我们经过二万五千里长征也不过如此。”这封信后来在《解放日报》上登出来了，许多同志看了这封信，激愤地流下了眼泪。吃一堑氏一智。
聂荣臻在晋察冀中央局干部大会上总结这次战斗时，一方面看到了战斗失利以后的不利局面，认为“必须在战略上重新部署，集结兵力，寻求机动，找机会打敌人，才能改变对我不利的形势”：“西线战役没有取得决定性胜利，今后当检讨其经验教训。还要估计到我们的困难也可能增大，要准备克服困难，战胜敌人”。另一方面也要求大家树立必胜的信念，“我们绝不要悲观，也不可骄傲。有些同志满腔希望打下大同，大同没有拿下就有些失望。但必须认识形势发展的曲折性，就是解放了大同也还可能撤出。这次没打好，取得了经验教训，今后就会打好。对于有些因为目前形势引起的波动，尤其没有经历过内战和抗战的同志，告诉他们应该把全国的情况看清楚，坚定信心。《解放日报》的社论已经指出‘蒋军必败’，他的困难是没法克服的”。
聂荣臻还特别指出：“西线战役中，我军全体将士都非常英勇，不怕一切牺牲，克服一切困难，有许多可歌可泣的战例与模范的英雄不断涌现，这种新英雄主义的精神，值得我们大大发扬。”
集宁一战失利，华北的国民党军调整部署后开始转守为攻，并将矛头直指华北我军占领的最大城市——张家口。与此同时，国民党东北保安司令长官杜幸明指挥7个师，从8月21日起分别由天义（今宁城）、凌源、山海关、锦州向承德、青龙、建昌进攻。9月初，敌第十一战区也集中兵力向冀东解放区发动进攻。从华北到东北，国民党军摆开了全面进攻的架式，北中国上空一时间战云密布。
华北战场上，聂荣臻终日站在地图前思考着。他知道，部队在大同外围连续作战，损耗较大，需要及时补充、整顿。张家口地处要塞，敌人有非得不可的野心。东面孙连仲的第十六、第五十三、第九十四军已经沿平绥路向怀来进犯，西面傅作义的4 个师22个