然而，我军在撤出卓资山之后，未能继续严密监视敌人，派出的侦察不够得力，致使敌人暂编第十一师、暂编第十七师、新编第三十一师，于9月7日从铁路北面经火石坝秘密东进，到达集宁西北地区集结。

    直到9月8日晚，大同前线指挥部才得知这一情况，遂决定将部队主力转向集宁。9月10日，敌我会战在集宁城下。

    我们的战士身穿单衣，不畏艰辛，从四面八方奔向集宁前线，刚到指定地点便投入了战斗。

    在集宁城下的会战中，我军包围了傅作义的3个师，敌人一面阻止我军攻击，一面从西南两个方向攻城，企图拿下集宁，固守待援。经过一天两夜的激战，这三个师处在支离破碎的境地，我军只要乘势再一猛击，就会全歼这股敌人。当时，敌人赖以联络的电台，也被我军炮火打掉了，走投无路，呼救无门，完全陷入了绝境。

    但是，我前线指挥部离战场较远，没能及时了解前线的详细情况，没能在一天时间里组织连续进攻，使敌人有了喘息的机会。

    直到9月12日下午，我军再次向城下敌人发起攻击。而此时傅作义的主力第一零一师已赶来增援。我前线指挥部当即决定：主力部队立即西进，先歼灭赶来增援的第一零一师。

    当时，各部队接到命令后，都不愿放弃即将被歼灭的敌人，但最后还是很坚决地执行了指挥部的命令。遗憾的是，部队只知道向大脑包山方向前进，去打一零一师，至于敌人的位置、我军的行军路线、作战的具体部署等不清楚，结果打援没有实现，集宁城下的敌人也恢复了元气。

    我军部队经过几昼夜鏖战，特别是一整夜的往返调动，已相当疲劳。而敌新编第三十二师、新编骑兵第四师，尾随第一零一师前来增援，我军处于不利的境地。9月13日，我军放弃了集宁，撤出了战斗，16日又撤围大同。

    在大同、集宁战役之后，傅作义在一次讲话中曾说：“集宁会战，按当时的情形，我们是相当的危险，很有失败的可能。最后能得到胜利，我认为是一个侥幸。……第一零一师参加战斗之后，共产党犯了一个错误，就是在12日晚上，他没有去攻击新编第三十一师，而去全力打第一零一师，这是共产党失败的原因。如果那天晚上，去攻新编第三十一师，我们的情况就相当危险了。”

    后来，张宗逊在回忆大同、集宁战役时，也指出：这一仗虽歼灭国民党军8870人，但未能达到攻城、打援的预期目的，使张家口处于东西两面夹击的不利形势，这一战役没打好。