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11月9日，八路軍開始進攻，首先掃除城郊外圍據點，除發電廠和玉皇廟兩個重要據點外，其他據點守軍紛紛放棄陣地進城。由於玉皇廟是可以俯瞰全城的製高點，發電廠是包頭唯一電源所在，兩處均為戰略要點，董其武命李思溫和郝旭東2個補充師，挑選精壯，分別死守，並從城內炮火支援。八路軍對此兩據點屢攻不下，11月16日，八路軍改變主攻方向，除以小部兵力仍向該兩圍攻外，主力開始攻城。深夜，八路軍一部，自安恩達部防守的西北門一帶衝入城內，並以猛烈炮火向縱深發展。門樹槐的騎六師也被衝潰，散兵紛紛向城南部潰逃。在此危急情況下，董其武急派上校參謀唐希舜率交警隊不惜任何犧牲從正麵堵截，並命補充師各抽一團，從東西兩翼側擊，城防副司令王雷震帶警衛連親臨第一線指揮。戰況甚為激烈。天亮後，由於八路軍後續部隊未及時跟進，乃主動撤出城外。
天亮後，董其武到戰場視察，命令立即組織人力修補城牆，加固工事；並發動各部隊沿城牆外部澆水。此時，塞上已是寒冬，氣溫在零下十幾度，滴水成冰，城牆一澆上水，隨澆隨凍，從外表上看，包頭已變成一座冰城，八路軍僅靠雲梯之類，是難於攀登。此後數天，八路軍入夜環城圍攻，曾一度用炸藥炸開豁口，但很快為守軍機動部隊控製，並填固了缺口，以致攻防相持20多天，雙方互有損傷。
包頭相持戰況不斷傳到聶榮臻的司令部，他感到久拖不下十分不利，於是11月13日騎馬從陶卜齊繞到歸綏城西與賀龍等商討對策。聶榮臻說：“我軍兵力在歸綏、包頭雖略占優勢，但勞師遠征，供應困難，難為持久，且兩區再增兵都有很大困難，嚴冬即到，我看是不是集中兵力拿下包頭再回歸綏？否則不宜久持歸綏城下。”賀龍讚同聶的意見，表示：“我和李井泉率晉綏部隊西進增援包頭，盡快將包頭拿下，你繼續圍困歸綏。”聶榮臻立即將此決定與部署電告中央軍委。11月16日中央回電：令聶榮臻率晉察冀部隊與晉綏部隊一同西進，在歸綏隻留少數部隊控製要點，做彈性圍困。如果包頭不能迅速攻占，晉綏部隊則西進消滅寧夏的馬鴻逵援兵，奪取五原、臨河、陝壩；晉察冀部隊主力控製包頭至歸綏中間地區，隔斷歸綏、包頭敵人的聯係，相機攻取包頭，引敵出來，求得野戰；晉綏部隊完成任務後，留一部分部隊控製五原、臨河、陝壩，主力回師東進，與晉察冀部隊再攻歸綏。
聶榮臻與賀龍對中央軍委電報意見商量很久，覺得中央軍委對綏遠情況不甚了解，這個部署不可行，這是一個傾全力取包頭而置歸綏於不顧的方案。11月17日，聶榮臻實事求是地再向中央軍委提出如下建議：“第一，如果晉察冀部隊主力西進，圍城部隊即轉為劣勢，而敵人必然乘機反擊……如我圍城部隊轉為劣勢，敵必集中力量向我反擊，則全部戰局有惡化的危險。第二，如以全部主力西進，去奪取五原、臨河、陝壩，這樣，就分為歸綏、包頭、河套三個戰場，相距800裏，勢必兵力分散，三處力量皆弱，難以相互策應。第三，綏遠地區並非根據地，沒有牢固的後方補給線，糧食彈藥無法迅速前運，傷員後送也是個問題。”最後，聶榮臻主張打幾仗再看情況，必要時結束綏遠戰役。11月22日中央軍委複電，仍主張晉察冀主力西進，集中力量攻取包頭。但同時指出“我們對於前方情況不了解”，希聶、賀根據前方實際情況處置。
根據中央軍委複電精神，兩支部隊在歸綏、包頭都采取圍城打援辦法，擊退了歸綏出擊的傅部騎四師，包頭方麵擊退了馬鴻逵部騎十師。但殲敵不多，時已至嚴冬，部隊困難日多。於是經中央軍委同意，聶榮臻於12月13日下達了結束綏遠戰役的命令。綏遠戰役曆時近兩個月，收複了綏遠廣大地區，消滅傅作義部12000人，但沒達到中央軍委賦予的消滅傅作義部主力，解放綏遠，收複歸綏的任務；而張家口被敵人南北夾擊的壓力也未解除。
九、津浦線與華東區的鬥爭
陳毅乘坐美軍飛機從延安東返途中，於1945年9月26日經河南濮陽時，接到中共中央23日讓晉冀魯豫軍區轉給的電報：不要去華中，“因中央有新的部署，決定新四軍主力及陳、饒二人均到山東工作，望你及你所率之軍事幹部取捷徑直到山東，接替羅榮桓的職務，以便羅能迅速去東北。”10月3日，陳毅帶著宋時輪、傅秋濤風塵仆仆地趕到微山湖東岸的夏鎮（今微山縣城）。奉命迎接和護送陳毅的是山東軍區第八師二十四團，由團政治部主任楊廣立率領。陳毅於當晚在臨城（今薛城）至沙溝間，穿過津浦鐵路，4日上午趕到嶧縣城第八師師部；在這裏，陳毅向第八師師長兼政委王麗水等領導幹部傳達了七大會議精神和中央指示；4日晚乘汽車到山東解放區首府臨沂，同羅榮桓會麵。