8月6日，大同外围作战结束，部队暂时停止攻击，转入近郊作战及攻城准备，总体战果不佳。
8月11日，为一举拿下大同，张宗逊、罗瑞卿进一步调整对大同近郊作战和打援作战的部署。
大同近郊作战，主要突击方向为南、北两关，助攻方向为东、西两关，参战部队主要有晋察冀军区第七、第八、第十旅等，以及晋绥野战军第三五八旅一部；预定各部队在攻占四关后，以第三五八旅为主力，从西北面强行攻城，其他部队采取坑道爆破的方式突破城垣。
集宁（今内蒙古乌兰察布市集宁区）附近打援，以晋绥野战军独立第一旅扼守卓资山，独立第三旅第二十七团驻守集宁，绥蒙军区骑兵旅等拱卫集宁西北之大小土城、西南之十八台，作为打援的右翼兵团，统由绥蒙军区司令员姚喆指挥；以独立第三旅主力、绥蒙军区两个团前出凉城，教导旅置于新堂，作为打援的左翼兵团，统由独立第三旅旅长杨嘉瑞指挥。
8月14日黄昏，各部队经过一周时间的准备，对大同城郊和四关发起攻击。截至9月4日，晋察冀、晋绥两军区协同作战，将大同城四周据点全部荡除，共毙、伤、俘守军5000余人。
在城郊夺控要点作战中，也有一些不足：对城内守军出援，不是乘机截击围歼，而是单纯拦阻、击溃。
8月15日拂晓，为夺回城北要点白马城、天主教堂，敌骑兵第五师、保安大队及交警第三大队各一部，在4辆战车、2门战防炮的掩护下，出城反扑，城北攻城部队对其只是予以击退。9月2日，在北关车站即将失守之时，敌骑兵第五师一部向车站附近疯狂反扑，城北攻城部队又只是将其击退。
8月25日，在城南要点周家店被占、南大庙危急之时，敌暂编第三十八师师长韩步洲率领城内机动部队2400多人（其中有500名日军），以5架飞机为掩护，7辆坦克作先导，向南大庙、周家店反扑。攻城部队没有乘机集结兵力对其予以围歼，只是“依托既得阵地，同对方展开白刃格斗，打死打伤国民党军500多人，击毁坦克4辆，迫使其余部退回城内”。28日，该股国民党军和保安总队、交警第三大队，在飞机、战车的掩护下，兵分三路，由楚溪春随军指挥，再次向周家店、南大庙反扑。这又是一次乘机围歼的机会，可攻城部队又丧失了，只是组织兵力将其击退。
虽然存在种种不足，但攻城部队终于逼近大同城垣。大同前线指挥部决定，以坑道爆破配合炮火轰击的方式，准备进行强攻。从9月5日起，开始进行坑道作业，积极准备攻城。
9月5日清晨，正当攻城部队磨刀霍霍之际，傅作义部已经向卓资山发起进攻。
早在8月中旬，当晋察冀、晋绥军区围攻大同之时，蒋介石为促使傅作义积极出兵解围，将原属阎锡山所辖的大同，划归傅作义管辖。虽然傅作义及手下将领都明白，蒋介石此举意在借自己这把刀，但从自身利益出发，又不愿丢失新划拨的地盘。于是，傅作义决定，一面以“和平解决”为名，派代表同大同前线指挥部谈判，以掩护其行动；一面集中第三十五军3个师、暂编第三军2个师和4个骑兵纵队（师）共3万余人的兵力，以平绥线为轴线，分南、中、北三路向集宁进犯，企图一举攻克集宁，南援大同，然后相机攻取张家口。
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