正在擒狼，又来恶虎，形势着实吃紧！这时，前线指挥员最容易出现决策指挥上的失误，而失误真的出现了。前线指挥部遂决定，暂时停止对集宁城下之董其武部的攻击，留下第十一旅和城内防守部队对其实施包围、监视，调转主力立即西出，向大脑包山前进，歼灭傅部第101师。由于受命西出的部队，是在部署临时改变、情况不甚明了的情况下，仓促展开作战行动的，尽管第三五八旅和独立第一旅攻占了大脑包山第101师的一部分阵地，第一纵队的1个团也适时投入战斗，与第101师展开激战，但终因决策指挥上的失误，不仅未能达成歼灭援军第101师的计划，而且还错过了聚歼集宁城下董其武部的大好机会。
聂荣臻也对失去战机表示惋惜：这时，本应先歼灭即将被歼之敌，然后再打敌人的援兵，但不意我军前线指挥部决定，掉转主力部队立即西进，要求先歼灭赶来增援的101师。这个决定显然是极为错误的。当时，各部队接到这个命令后，都不愿放弃即将被歼灭的敌人，但最后还是执行了前线指挥部的命令。可是，部队只知道向大脑包山前进，去打101师，至于敌人的位置、我军的行军路线、作战的具体部署、部队的互相协同、战场的通信联络等都不清楚。这样指挥作战，怎么能够打好？结果不但打援计划没有实现，聚歼集宁城下残敌的战机也失去了。
13日晨，董部趁我军主力西去打援，又重新恢复了卧龙山，天门山，石灰山等阵地，并向小脑包山攻击，以策应101师东进，夹击我打援部队。
而与援敌101师的交战也极为不顺利，第一线部队与101师在东土坑山激烈交战，解放军大队援军奉张宗逊命令赶去增援，大队正隔着山运动，101师进攻山顶守军时，由于步兵进攻接近山顶，炮火须延伸射击，但因炮位低，距离近、山顶高，瞄准仰角必须加大，而仰角加大，炮弹即超越山顶而过。这样的越山炮弹，竟打了百多发。急得郭景云直跺脚，厉声命令炮兵，立刻修正角度，再把炮弹打过山顶，就要枪毙。
其实他不知道这些阴错阳差炮弹帮了他大忙，这些越过山炮弹，不偏不倚落在前山解放军的援军大部队人群中，前线指挥部又判断失误，以为这是傅作义大部队到达，有腹背受敌之危险，于是命令部队撤退，把所有战机都丢失了。与此同时，13日中午12时35军李铭鼎新32师，骑四师尾随101师前来增援，向我军阵地猛攻，实际这时解放军已决定撤退，这些部队正赶上追击。
下午，傅作义部新编第三十二师、新编骑兵第四师蜂拥而至，与第一○一师会合，并迅速发起反围攻作战。至此，傅作义部已有6个师的兵力会集于集宁城郊，晋察冀、晋绥军区部队经过几昼夜鏖战，特别是一整夜的往返调动，既疲劳又饥饿。在集宁附近歼灭傅部援军的计划，已不可能实现，如继续恋战，处境将更加不利。在这种情况下，部队被迫于当晚放弃集宁，撤出战斗，向东北方向转移。
集宁一战失利后，傅作义部主力继续向大同逼近，企图与大同守军配合，对围城部队实施夹击。形势对执行既定的攻城计划十分不利，大同不宜再围。9月16日，为寻求新的战机，晋察冀军区决定撤围大同，杨成武等部开往老根据地易县集结。大同集宁战役遂告结束。
集宁一战，傅作义出尽了风头。9月20日，他得意忘形，在绥远《奋斗日报》上发表了一封《致毛**的公开电》，百般揶揄中共方面：
然你们相信武力万能，调集了十七个旅，五十一个团之众，企图在集宁歼灭国军，城郊野战和惨烈巷战，继续达四昼夜，最后你们终于溃败了。
当你们溃退的前一天，延安广播且已宣布本战区国军被你们完全包围，完全击溃，完全歼灭，但次日的事实，立刻给了一个无情的证明，证明被包围被击溃被歼灭的不是国军，而是你们自夸所谓参加二万五千里长征的贺龙所部、聂荣臻所部，以及张宗逊、陈正湘、姚喆等的全部主力。
朱德特将此电分发全体将士，“请将不如激将”。
大同集宁战役历时一个半月，晋察冀、晋绥军区部队密切协同，并肩作战，歼灭敌1个师大部、3个师各一部等，共1.2万余人，给国民党军以沉重打击。但战役未能达到攻城、打援的预期目的，尤其是未能歼灭傅作义部主力于集宁城下，使张家口乃至整个解放区面临更为不利的局势。
聂荣臻主动承担了责任，认为自己“有考虑不当之处”，同时认为前线指挥存在失误：
从实践的结果来看，发起大同战役，有考虑不当之处。因为大同敌人的兵力虽不雄厚，而城防设施是颇为坚固的。当时，我军既没有重武器配备，又缺乏攻坚战经验，哪里有把握攻下大同？在当时装备很差的条件下，只能先打弱的，后打强的。如果一开始我们就在攻城的同时，把重点放在打援上，集中优势兵力，争取在运动中歼灭前来救援大同的敌人，那后果就会大不相同了。……再加上后来集宁方面战场指挥的错误，就导致了这次战役的失利。
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