1938年秋，傅作义部驻河曲、偏关，与驻晋西北岢岚、五寨一带的八路军120师贺龙部进行联防。邀请程子华、南汉宸、罗贵波等交流、联欢，邀请八路军政治干部指导政治工作，接受毛泽东赠送的论述抗战的著作。翌年春，傅作义奉命组建第八战区副司令长官部并兼任绥远省主席，率部进驻河套地区。5月，在绥西百川堡(临河县新华镇)组织抗日建国讨论会及下设的绥远战地动员委员会等，启用从延安来的共产党人及进步军官潘纪文、崔载之等，积极开展全民统一战线。
入冬，蒋介石令第八战区副司令长官傅作义攻击绥西安北大佘太以北高台梁地区之敌，以牵制华北日军。傅作义则建议蒋介石向包头发起进攻，牵制华北日军效果更佳。蒋介石采纳傅作义建议。包头是平绥铁路终点，是日寇控制绥西的枢纽，也是进入宁夏的要地。日军构筑了坚固的防御设施，日寇驻军约1万人。在固阳、安北(大佘太)等设外围据点。攻取包头难度很大。
经对敌我实力和战局态势分析，傅将军采取奇袭战术，兵分四路进取包头。第一路：临时归傅作义部指挥的蒋介石直属部队骑兵第7师门炳岳部。在包头东，萨拉齐东西沿线破坏铁路、桥梁，断敌东援。第二路：31师孙兰峰部。乘夜避敌外围据点，直插包头，组织突击团，直捣敌指挥中心，并分别围歼敌人。第三路：101师董其武部。直插包头西北面，阻止前口子等外围据点增援，并协同31师从北面进袭包头。第四路：新建32师袁庆荣部。截击安北、固阳方面增援之敌，并及时支援攻城部队。各路军于12月15日行动，夜行昼伏，于19日午夜前先后到位。孙兰峰部93团在包头西门架云梯时，有伪蒙哨兵说“中国人不打中国人”，并带路歼灭守西门日军。董其武部302团进至昆都仑召时，与敌援军遭遇，俘虏伪蒙军团长于振瀛等近300人。傅部官兵奋勇顽强，且有民众支持，大胜。至21日晚，敌增援部队自归绥、大同、张家口陆续开来。牵制华北日军之目的已达到，遂全军转移五原，董其武部后卫阻击，后沿乌拉山南麓西撤。
此役歼灭日伪军3000余人，汽车百余辆，坦克3辆，军需无数。击毙敌联队长小林一男大佐和小原一明大佐及军官20余名。张家口的日本蒙疆驻屯军集团司令官冈部直三郎气急败坏，组织大量军力反扑，未及一月，分三路再犯绥西。左翼由小岛的骑兵集团、第二混成旅及王英的绥西联军，沿黄河两岸大部经西山嘴，小部过马七渡口入侵。中路主力由黑田重德第26师团经固阳、大佘太，从乌不浪口进犯五原。右翼由伪蒙骑兵约3个师，经中公旗(今乌拉特中旗)进犯两狼山、太阳庙。傅将军沉着应对，预设阵地，采取诱敌深入、两面夹击之术欲速歼敌主力黑田部。各部按计划行进，唯奉命在乌不浪口御敌的马腾蛟部御敌不力，遇敌即撤，使战局突变，董其武等随机应变。自1月底日寇从包头出发，分路进犯，沿途重遭伏击、阻击，代价惨重。2月3日侵入五原，后相继侵入已空室清野的临河、陕坝。日指挥官黑田中将造势：绥远全省为日军占领，傅作义全军覆没，傅已逃匿，等等。绥、张敌方媒体亦逢迎吹捧。黑田在五原开欢庆会、委王英为“绥西自治联军”总司令。
2月下旬，傅将军令袁庆荣32师为主，攻临河、陕坝，遂收复。此役史称“绥西战役”，共毙伤敌2100余，摧毁敌汽车百余辆，坦克5辆，战马300余匹。2月26日晚，傅将军在亚麻来指挥部驻地召开团长以上干部会议。会议作出1个月内收复五原方案。3月15日各部分别行动，19日各部到达预定地点。31师安春山团、绥远游击军曹子谦团和五临警备旅阎萝云营组成的主攻突击队于20日秘密向五原运动，至暮色时分，突占城门，有如神兵自天而降，顷刻间，残敌逃集于日寇指挥部，凭借坚固工事和精良装备死守待援，虽反复冲杀，久攻不克。傅将军令31师副师长王雷震率师部预备队令狐理营驰援突击队。仍难以攻克，后采纳连长孙英年秘密用山炮平射墙堡工事之法获胜。日军水川伊夫中将、特务机关长桑原中佐及伪绥西联军中将王英寻隙逃窜城外，至乌梁素海西岸刘家窑子附近桑原中佐被击毙，王英逃至西山嘴被新五旅安华亭放走。
绥西民众同仇敌忾，五原城东王大老虎与其弟王二老虎手刃日兵11人，百川堡小脚女刘氏大娘发动妇女支前，乌加河老乡刘大宽、郭四毛旦救养误以为牺牲的303团团长宋海潮，实可歌可泣！至3月22日，五原新旧城收复。共毙日军中将水川伊夫等大佐、中佐、少佐、尉官等军官300余名，士兵1100余名，毙伤伪蒙军3000余名。生俘日军指挥官观行宽夫等50余名，俘虏伪蒙军1800余名，获火炮30余门、汽车50余辆、轻重机枪50余支，其他军需甚多。
傅作义属下团长贾世海、营长赵寿江、阎萝云、冯增波及连排长30余为国捐躯。轻重伤者亦多。五原战役媒体称“五原大捷”，抗战军民为之振奋。4月17日国民政府特电嘉奖：“……不仅保障西北，而且奠定收复失土，驱逐敌寇之基础。在抗战全局上，关键尤为重要，功业彪炳，殊堪矜式。特颁给傅副长官作义最荣誉之青天白日的勋章。”但傅作义当时并没有接受。
