集宁战斗打响当天，毛**致电张宗逊、罗瑞卿并告聂荣臻、贺龙：“敌攻集宁，正是歼灭傅部良机。”“速令杨得志部四个团开到集宁西南地区作为最后决胜之用。”“严令集宁防军死守一星期，我军主力务于三天至七天内彻底歼灭窜至集宁附近之敌。”“歼敌方法最好将我主力突入敌后由西向东打，集中绝对优势兵力（例如四对一）先解决一个师，得手后再解决一个师，最后全部解决该敌。”
此时，晋察冀、晋绥军区主力先后赶到集宁前线。根据毛**指示，张宗逊、罗瑞卿当即作了新的部署：晋察冀军区教导旅、第四旅进到集宁以西土城子地区，切断董其武部退路，由西向东进攻；晋绥野战军第三五八旅主力、独立第一旅进到集宁西南，由西南向东北进攻；晋察冀军区第十一旅从南向北进攻；晋察冀军区第一旅在第十一旅右翼投入战斗；第二旅为战役预备队；绥蒙军区骑兵旅在集宁西北担任战场侦察，相机追歼可能逃跑的傅军；独立第三旅特务团、绥蒙军区两个团扼守凉城地区，向归绥方向警戒。
9月10日晚，晋察冀、晋绥军区参战部队在统一号令下，包围了傅作义部主力3个师于集宁城下，双方展开激战。11日拂晓，董其武一面对外围展开阻击，一面组织兵力从西、南两面继续攻城，企图夺取集宁，固守待援。攻城敌军遭到守城部队的顽强抵抗，伤亡400余人；至8时，董其武见攻城无望，企图全线西撤，但退路已断，被迫困守集宁西北脑包山、卧龙山诸要点。11时，晋察冀、晋绥军区部队分别向傅作义部各阵地发起攻击，经一天两夜激战，歼灭暂编第十一师大部和暂编第十七师一部，共5000余人，其中俘虏副师长以下2000余人。至12日晨，晋察冀、晋绥军区部队控制了三岔口、脑包山、玻璃图、天门山、石灰山等地，及卧龙山部分阵地，将新编第三十一师及暂编第十七师大部和暂编第十一师残部团团包围，压缩在集宁城西南的卧龙山脚下及西、南营房的狭小地区。混战中，晋察冀、晋绥军区部队袭击了暂编第三军司令部和暂编第十七师司令部，摧毁了电台，使坐镇归绥的傅作义与董其武中断通信联络达四五个小时之久。
但是，由于劳师袭远，晋察冀、晋绥军区部队也很疲劳，作战出现间歇。因此，《华北野战部队战史》不无遗憾地指出：“由于两区部队未能抓住这一有利时机组织连续攻击，致使该部得以喘息，开始作困兽之斗。”聂荣臻也认为：“我军前线指挥部距离战场较远，对前面的情况不明，在一天的时间里，竟没有组织连续进攻，给了敌人喘息和整顿的机会。”
9月2日中午，为了夺取有利阵地，董其武下令再度攻城。在空军配合下，一部分敌人突入城内与守城部队展开巷战。晋察冀军区第一旅1个团增援城内，阻止了董其武部的进攻，并与守城部队合力夺回了一些阵地，与董其武部形成对峙。此时，董其武部主力被围困在城西南一带的山坡上。
9月12日16时，晋察冀、晋绥军区部队开始向董其武部发起总攻。就在这关键时刻，傅作义派主力第一○一师赶来增援，其先头部队已进占集宁城西数十公里之大脑包山。。。。。。。。。。
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