1938年秋，傅作義部駐河曲、偏關，與駐晉西北岢嵐、五寨一帶的八路軍120師賀龍部進行聯防。邀請程子華、南漢宸、羅貴波等交流、聯歡，邀請八路軍政治干部指導政治工作，接受毛澤東贈送的論述抗戰的著作。翌年春，傅作義奉命組建第八戰區副司令長官部并兼任綏遠省主席，率部進駐河套地區。5月，在綏西百川堡(臨河縣新華鎮)組織抗日建國討論會及下設的綏遠戰地動員委員會等，啟用從延安來的共產黨人及進步軍官潘紀文、崔載之等，積極開展全民統一戰線。

入冬，蔣介石令第八戰區副司令長官傅作義攻擊綏西安北大佘太以北高臺梁地區之敵，以牽制華北日軍。傅作義則建議蔣介石向包頭發起進攻，牽制華北日軍效果更佳。蔣介石采納傅作義建議。包頭是平綏鐵路終點，是日寇控制綏西的樞紐，也是進入寧夏的要地。日軍構筑了堅固的防御設施，日寇駐軍約1萬人。在固陽、安北(大佘太)等設外圍據點。攻取包頭難度很大。

經對敵我實力和戰局態勢分析，傅將軍采取奇襲戰術，兵分四路進取包頭。第一路：臨時歸傅作義部指揮的蔣介石直屬部隊騎兵第7師門炳岳部。在包頭東，薩拉齊東西沿線破壞鐵路、橋梁，斷敵東援。第二路：31師孫蘭峰部。乘夜避敵外圍據點，直插包頭，組織突擊團，直搗敵指揮中心，并分別圍殲敵人。第三路：101師董其武部。直插包頭西北面，阻止前口子等外圍據點增援，并協同31師從北面進襲包頭。第四路：新建32師袁慶榮部。截擊安北、固陽方面增援之敵，并及時支援攻城部隊。各路軍于12月15日行動，夜行晝伏，于19日午夜前先后到位。孫蘭峰部93團在包頭西門架云梯時，有偽蒙哨兵說“中國人不打中國人”，并帶路殲滅守西門日軍。董其武部302團進至昆都侖召時，與敵援軍遭遇，俘虜偽蒙軍團長于振瀛等近300人。傅部官兵奮勇頑強，且有民眾支持，大勝。至21日晚，敵增援部隊自歸綏、大同、張家口陸續開來。牽制華北日軍之目的已達到，遂全軍轉移五原，董其武部后衛阻擊，后沿烏拉山南麓西撤。

此役殲滅日偽軍3000余人，汽車百余輛，坦克3輛，軍需無數。擊斃敵聯隊長小林一男大佐和小原一明大佐及軍官20余名。張家口的日本蒙疆駐屯軍集團司令官岡部直三郎氣急敗壞，組織大量軍力反撲，未及一月，分三路再犯綏西。左翼由小島的騎兵集團、第二混成旅及王英的綏西聯軍，沿黃河兩岸大部經西山嘴，小部過馬七渡口入侵。中路主力由黑田重德第26師團經固陽、大佘太，從烏不浪口進犯五原。右翼由偽蒙騎兵約3個師，經中公旗(今烏拉特中旗)進犯兩狼山、太陽廟。傅將軍沉著應對，預設陣地，采取誘敵深入、兩面夾擊之術欲速殲敵主力黑田部。各部按計劃行進，唯奉命在烏不浪口御敵的馬騰蛟部御敵不力，遇敵即撤，使戰局突變，董其武等隨機應變。自1月底日寇從包頭出發，分路進犯，沿途重遭伏擊、阻擊，代價慘重。2月3日侵入五原，后相繼侵入已空室清野的臨河、陜壩。日指揮官黑田中將造勢：綏遠全省為日軍占領，傅作義全軍覆沒，傅已逃匿，等等。綏、張敵方媒體亦逢迎吹捧。黑田在五原開歡慶會、委王英為“綏西自治聯軍”總司令。

2月下旬，傅將軍令袁慶榮32師為主，攻臨河、陜壩，遂收復。此役史稱“綏西戰役”，共斃傷敵2100余，摧毀敵汽車百余輛，坦克5輛，戰馬300余匹。2月26日晚，傅將軍在亞麻來指揮部駐地召開團長以上干部會議。會議作出1個月內收復五原方案。3月15日各部分別行動，19日各部到達預定地點。31師安春山團、綏遠游擊軍曹子謙團和五臨警備旅閻蘿云營組成的主攻突擊隊于20日秘密向五原運動，至暮色時分，突占城門，有如神兵自天而降，頃刻間，殘敵逃集于日寇指揮部，憑借堅固工事和精良裝備死守待援，雖反復沖殺，久攻不克。傅將軍令31師副師長王雷震率師部預備隊令狐理營馳援突擊隊。仍難以攻克，后采納連長孫英年秘密用山炮平射墻堡工事之法獲勝。日軍水川伊夫中將、特務機關長桑原中佐及偽綏西聯軍中將王英尋隙逃竄城外，至烏梁素海西岸劉家窯子附近桑原中佐被擊斃，王英逃至西山嘴被新五旅安華亭放走。

綏西民眾同仇敵愾，五原城東王大老虎與其弟王二老虎手刃日兵11人，百川堡小腳女劉氏大娘發動婦女支前，烏加河老鄉劉大寬、郭四毛旦救養誤以為犧牲的303團團長宋海潮，實可歌可泣！至3月22日，五原新舊城收復。共斃日軍中將水川伊夫等大佐、中佐、少佐、尉官等軍官300余名，士兵1100余名，斃傷偽蒙軍3000余名。生俘日軍指揮官觀行寬夫等50余名，俘虜偽蒙軍1800余名，獲火炮30余門、汽車50余輛、輕重機槍50余支，其他軍需甚多。

傅作義屬下團長賈世海、營長趙壽江、閻蘿云、馮增波及連排長30余為國捐軀。輕重傷者亦多。五原戰役媒體稱“五原大捷”，抗戰軍民為之振奮。4月17日國民政府特電嘉獎：“……不僅保障西北，而且奠定收復失土，驅逐敵寇之基礎。在抗戰全局上，關鍵尤為重要，功業彪炳，殊堪矜式。特頒給傅副長官作義最榮譽之青天白日的勛章。”但傅作義當時并沒有接受。