1936年11月20日，傅作义在归绥召集孙长胜、孙兰峰和袁庆荣部署战斗，要求在1936年11月24日前以迅疾动作、敏快手段，在增援之敌到庙之前袭取成功。同时发布作战命令：“骑2师孙师长长胜为指挥，步211旅孙旅长兰峰为副指挥，旅参谋长袁庆荣为参谋长，指挥步兵419团(欠1营)、421团(欠1连)、第70师315旅补充第1团(欠1连)、骑兵第8团及特务3个连、炮21团第3营，及第6连小炮2门，无线电3台，汽车1队(计甲车20辆、汽车24辆)，以迅捷之手段，袭占百灵庙。” 1936年11月22日晚10时，各部队按指定地点集结完毕。

1936年11月24日凌晨1时，进攻百灵庙的战斗全面展开。日本特务机关长盛岛角芳指挥作战，以炽烈火力阻止晋绥军前进。战至4时，攻击部队深入各敌阵地，战斗呈胶着状态。上午7时天即放明，若无进展，敌飞机助战，援兵亦至，则对晋绥军非常不利。因此孙长胜、孙兰峰到第一线指挥作战，袁庆荣指挥炮兵，并拨给尖刀连9辆汽车，每班乘1辆，由东南山口鱼贯向庙内冲击，决心在早晨全歼庙内之敌。

经过反复搏斗，终于突破敌阵，突入庙内。激战后将敌歼灭大半。日本特务机关长盛岛角芳先率部逃跑，日本顾问烟草谷与伪蒙军第7师师长穆克登宝也分乘汽车狼狈逃窜。至1936年11月24日上午9时30分，晋绥军收复了百灵庙。百灵庙一役，毙伤伪军七八百人，俘虏300余人，缴获炮3门、重机枪5挺、步枪400余枝、电台3架，还缴获了弹药一批、面粉2万袋和大量汽油。晋绥军伤亡官兵300余人 。

收复锡拉木楞庙

在百灵庙惨败的日、伪军退到锡拉木楞庙。田中隆吉为了挽回颓势，命令“大汉义军”的副司令雷中田率领所属金宪章、石玉山、葛子原、赵奎阁等部在锡拉木楞庙集结，向百灵庙反扑。1936年11月28日，敌以汽车100余辆运兵3000余人到锡拉木楞庙，准备反攻百灵庙。1936年11月29日，王英直接指挥伪军骑兵2000余人绕过商都以北土木尔台，运动到陶林西北一带牵制晋绥军。

锡拉木楞庙位于百灵庙东35公里处，在四子王旗的北部。晋绥军攻下百灵庙后得知伪军在此集结，料定敌必反攻，于是制定了退兵诱敌、守庙打援的方针。在作战部署上，决定：“一、以骑兵第2师孙长胜师长率该师(3个团)附炮2门，进击乌兰花，另以420团附炮1连，乘汽车支援骑兵;二、以211旅孙兰峰旅长指挥421团、补充第1团、炮兵2连、小炮4门，为固守百灵庙之部队，但除421团现在庙内之部队外，余在庙外准备，临时进入;三、以419团附炮1连，在后厂汗次老为伏兵;四、以独立第7旅之两个团，由卓资山开驻武川、黑老各1个团。”这样，使锡拉木楞庙之敌不能单独反攻百灵庙，而又迫使该敌离开，晋绥军则相机占领之。

自1936年12月3日起，伪军向百灵庙反攻。守卫庙内的绥军1个团奋起反攻;杀伤伪军一部后，有计划地后退，诱敌深入。下午7时，庙外晋绥军发起反击，深入之敌大败而去。至1936年12月4日9时，彻底粉碎了伪军的反攻，毙“大汉义军”副司令雷中田及日、伪军500余人，俘200余人，并将王英伪军主力牵制于乌兰花一带，锡拉木楞庙敌守备力量大为减弱。

伪蒙军反攻百灵庙失败后，残部退到锡拉木楞庙和布拉图庙。伪军内部、伪军和日本顾问之间产生了矛盾，关系恶化。战败的伪军旅长金宪章、石玉山感到叛国附敌毫无出路，遂派人与傅作义接洽反正事宜。

当百灵庙守军与敌反攻部队激战时，骑兵第2师在乌兰花东北15公里处的南厢村、红房子与王英部激战，将其包围于乌兰花西北七八十里处的黄陶瓦。1936年12月8日，石玉山部1个旅在阵地反正。9日凌晨，金宪章也率部反正，将日本顾问小滨大佐以下日本军官27名悉数杀死，同时向伪蒙军第7师穆克登宝突袭，将其大部歼灭。1936年12月9日上午，晋绥军进占锡拉木楞庙。此时，伪蒙军呈土崩瓦解之势，伪旅长安华亭率领2个团、伪团长王子修率1个团于1936年12月18日宣布反正。1936年12月19日，伪军吕存义部闻安、王反正，也率部投诚。王英带着残兵逃回张北，被日军全部缴械。至此，“大汉义军”彻底覆灭。

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