之后，神池、义井镇、三岔堡的日寇纷纷出动，前往增援解围。3月17日下午，当358旅进至义井以南虎北村、山口村地区时，与由神池出动企图解五寨之围的日寇千余人突然遭遇。358旅的勇士不顾连续行军作战的疲劳，立即抢占有利地形，居高临下，向援敌发起猛烈攻击。许多战士打着赤足在雪地上与日寇展开白刃格斗，激战6个小时，歼敌300余人。
日寇在358旅的猛烈打击之下，边打边退，最后窜入义井镇内，358旅亦跟踪追击到义井镇。翌日，原驻防义井镇的日寇与逃入之敌纠集拼凑了步骑兵800余人，出城向358旅猛烈反扑，再次被358旅的勇士击退，一部逃回义井，一部逃往神池。同日，三岔堡之敌也出动200余人，企图增援五寨城，不料途中又遭717团的伏击，援敌见势不好，丢下数十具尸体，狼狈逃回老窝。至此，敌各路援兵均被击退，五寨之敌已成瓮中之鳖。
与此同时，120师担任袭扰任务的部队也取得了较大的战果。雁北支队3次袭击井坪镇，攻占了威远堡，破坏了朔县至马邑之间的铁路桥；警备第6团连日袭扰河曲、偏关、保德之敌，使其无力东顾；师骑兵营及地方游击队连续破袭三岔堡、神池、朔县的交通；719团在神池、宁武间破击敌人后方交通，威胁同蒲铁路的运输，牵制守敌。这样，就使侵入晋西北根据地的各路日寇均陷入了进退维谷、朝不保夕的境地。
日寇在晋西北根据地军民的连续打击下，处境日益不利，其消灭八路军120师或压迫120师退过黄河的企图早已成为黄粱美梦。相反，日寇自己的后方却受到八路军日益严重的威胁。万般无奈，在3月20日，日寇被迫从晋西北根据地开始全线撤退。当日，偏关、河曲、保德及五寨之敌皆弃城向东撤退，八路军不战而收复4座县城。
为了扩大战果，痛击入侵之敌，贺龙又指挥120师主力在日寇撤退的道路上连连设伏。20日，保德与三岔堡之敌会合后，于21日向神池撤退，行至田家洼，遭到717团的伏击，该敌被歼一部后，窜入义井镇。这时，五寨之敌也逃入义井镇。贺龙机敏地判断，敌将继续东撤。于是，令358旅进至义井以东凤凰山设伏。
果然不出所料，3月22日夜，猬集于义井的日寇3个大队，开始向神池方向仓皇撤退，行至凤凰山附近，进入358旅的伏击圈。358旅乘敌不备，以突然动作向敌行进纵队猛冲，歼敌300余人，击毁汽车数辆。日寇被这突如其来的打击，打得晕头转向，不敢恋战，连夜逃往神池。358旅一鼓作气，跟踪追至神池城下，准备协同359旅攻城。23日，城中的日寇惧歼，于当日下午弃城逃往朔县。这样，神池县城也回到了八路军手中。
收复神池之后，晋西北根据地内仅剩宁武一座孤城尚被日寇盘踞。宁武县城位于三关之中，地处同蒲路北段，南控静乐、娄烦，北连朔县、大同，是阳方口以南的一个重要车站，日寇进犯山西以来曾多次出兵争夺，均未得手。此次日寇夺占后，即以重兵防守，修筑工事，以作长久占领之计。企图以宁武县作为控制同蒲路北段及阳方口公路的桥头堡。
极富军事斗争经验的贺龙一眼就识破了日寇的伎俩。贺龙一针见血地指出：鬼子集结兵力，退守于宁武，企图依据宁武的险要地形，在我晋西北门口安下一座桥头堡。我们一定要砸烂鬼子的如意算盘，干净、彻底地把鬼子赶出晋西北！
根据宁武敌军的守备情况，贺龙决定继续采取“围点打援”的战法，完全切断宁武与外界的联系，造成关门打狗之势，迫使宁武之敌不战自乱，不攻而走，造成八路军在运动中歼敌的良好战机，一举收复宁武县城。具体部署是：358旅716团和359旅718团2营负责围困宁武县城；358旅715团进至宁武以北、同蒲路西侧的斗沟地区；359旅717团、719团进到同蒲路东侧的南庄子、前石湖、张孙沟地区，切断宁武与阳方口之间的联系。
这样，宁武之敌就落入120师四面包围之中。在120师围城部队连续的袭扰打击下，处于内无粮草、外无救兵的宁武之敌，只好用黑豆充饥，杀战马解渴，如同热锅上的蚂蚁，连连告急求救。见此状，驻大同的敌酋只好放弃原来的打算，令其弃城突围。
为了接应宁武守军突围，31日，阳方口之敌出动步骑兵600余名，在飞机掩护下，前往宁武增援。援敌来势汹汹，大有一举突破八路军围城部署之势。然而当其行至石湖河、麻峪一带时，遭到359旅的迎头痛击，伤亡惨重，只得放弃救援企图，窜入石湖河镇进行顽抗。与此同时，宁武被围之敌见有援兵增援，像盼到了救星，千田联队长亲自率领500余名日寇杀出宁武城，向359旅侧后攻击，企图前后夹击，一举打通突围道路。358旅715团主动出击，协同359旅夹击出城之敌，激战终日，歼敌300余人，敌千田联队长也身负重伤。
同日，原平之敌也出动千余人马，前来增援。按预定部署，早已等候在神山、上阳武地区的718团奋起阻击，援敌尽管使出浑身解