10月15日，晉察冀軍區發布綏遠作戰命令，聶榮臻親自率部西進。10月18日，各部先後與傅作義部隊接火，很快攻占了以下各點：冀察縱隊奪取隆勝莊；冀中縱隊奪取張皋鎮、三水嶺、官村；冀晉縱隊奪取聚樂堡、紅砂壩、豐鎮。晉綏軍區部隊在司令員賀龍、政委李井泉等指揮下，兵分兩路向歸綏、包頭二市進軍，部隊行動十分隱蔽，為避開傅軍據點，部隊繞道距離歸綏90華裏的旗下營往北沿大青山向西挺進。為防止空中偵察，部隊晝宿夜行，進到歸綏近郊，同傅軍接火後，傅作義才得到準確消息。
在兩個軍區部隊聯合進攻下，傅作義發現形勢不妙，急令收縮兵力，向大本營歸綏城集中。由於晉察冀和晉綏部隊，未能將傅軍退路切斷，使傅作義將精銳部隊集中到歸綏固守；同時加強包頭兵力，又派第十二戰區長官部直屬的呂景瑞騎兵團，在薩拉齊阻撓八路軍西進。傅作義將歸綏、包頭劃兩個戰區，薩拉齊以東為歸綏戰區，由第三十五軍一○一師、新編三十二師、第十七師和暫三軍的新三十一師、暫十師、暫十一師及長官部直屬炮兵等約3萬兵力防守，傅親自指揮。
10月22日，傅軍第三十五軍軍部和第一○一師在集寧形成孤軍。第三十五軍是傅作義起家老本錢，而第三十五軍主力又是一○一師，如果把這股力量消滅，將是對傅作義一個沉重打擊。聶榮臻抓住這個戰機，當即下令冀察縱隊進占集寧以西的十八台，切斷傅軍退路，令冀中縱隊占領集寧以南的榆樹灣、腦包山，從南、西南對集寧發起進攻，聚殲該敵。23日冀中縱隊占領了榆樹灣、腦包山，擊潰一○一師一個團，並以一部兵力前進到集寧以西。傅軍第三十五軍軍部和一○一師乘黑夜棄城西逃。24日晉察冀軍區部隊占領集寧。25日晉綏軍區獨立第一旅曾將集寧逃敵堵在魁盛莊西北，但因後續部隊未及時趕到，經激戰還是跑掉了。也就在25日，賀龍、李井泉率晉綏部隊在卓資山打了一個漂亮仗，全殲傅軍新編第二十六師4000多人。聶榮臻立即發布命令，號召晉察冀部隊向晉綏兄弟部隊學習。
10月26日，聶榮臻與賀龍相會，他們一起在卓資山研究下一步作戰方案。27日，中央軍委給聶榮臻、賀龍發來賀電，強調：“此次作戰，必須達成殲滅傅頑主力之目的，應將我主力運動到傅頑陣地背後去，由西向東打，方可聚殲。”聶、賀等研究決定：針對敵人約6個師撤進歸綏固守，應先肅清外圍，然後再會攻歸綏。
10月底，兩軍區部隊完成對歸綏的合圍，聶榮臻在陶卜齊設立指揮所，賀龍在歸綏城西設立指揮所。31日開始攻城。11月5日，歸綏外圍激戰中，一度突破傅軍主要陣地。傅作義得知後，親到第一線鼓勵指揮，對下屬監督甚嚴，使得抵抗愈加頑強。由於聶榮臻所屬縱隊，大部是由抗戰時期地方團隊、縣大隊組建，沒有大兵團作戰和攻堅經驗，特別是缺乏大口徑火炮，麵對堅城，致使攻防陷於僵局，戰鬥四五天相持不下。此後一個多月期間，雖有幾次戰鬥，規模都不大。
進攻歸綏期間，中共晉綏兩個旅、冀察縱隊一個旅沿綏包路西進，攻擊包頭。包頭警備司令王雷震連連告急，傅作義接電報知道如包頭失守，就斷了西退之路，他立即召見董其武商量包頭戰事。傅作義說：“包頭駐軍複雜，不是補訓師，就是偽蒙軍隊改編的部隊和地方團隊，彼此之間矛盾很多，武器裝備差，戰鬥力不強，統一指揮很不容易。你過去擔任過騎四軍軍長，整頓反正的偽軍，做得有些成果。再說，王雷震、李思溫和成於念又都是你的老戰友、老部下，你去了便於指揮……”董其武表示：“請司令放心，我立即就去。”傅作義又補充說：“你到包頭後，兼任城防司令，王雷震為副司令，成於念為參謀長，我下午派飛機送你。”
當日下午，董其武乘一架小飛機到包頭，王雷震等人正焦急地在機場等候。當時，包頭駐軍計有：李思溫的第一○一師補充師、郝旭東暫編三十二師補充師，各有4000人左右；李修天警備大隊約2000人；還有新改編的偽蒙軍安恩達騎五師和門樹槐騎六師共1400餘人；另外，從歸綏空運來四門山炮和2個交警大隊共約300人；總計兵力有12000人。包頭城周圍約15平方華裏，有5座城門，城牆為夯土所築，高約8米，寬約5米不等。日軍占領時期，築有較堅固的城防設施，環城有外壕，深寬各2.5米；城外主要據點周圍設有帶刺鐵絲網、鹿砦、電網和布雷區；並有明壕與城內相通。董其武了解城防情況後，調整了城防部隊部署。