为了“利益平衡”，此次绥远作战，日军是从驻热河部队的第六师团中各自抽调部分精锐，加上部分骑兵，组成了一个混成旅团。
按计划，这支特混旅团会从新明出发，西进，先攻击大庙，歼灭那只眼钉千余人的保安大队，然后在百灵庙和伪蒙军会合后再一起南下，夺取包头。
此战，日军计划出动一个混编旅团的部队，总计约六千五百人，其中包括一个千人的骑兵团，则指挥这只部队的，则是陆军中将谷寿夫，参谋长是柳川平助。
出发前，这支的日军精华部队，因为蒙古伪军相助，全军上下只带了四天的口粮。加上几年东北军不堪一击印象深刻，全军皆是傲气冲天。
这帮日军于十月一日深夜悄然离开新明，一路西进，速度极快，最多三天就可以抵达大庙。只是他们自以为此行神不知鬼不觉，却哪里想到眼睛早就盯在这一块的派驻在附近的在侦察员，在第一时间就发觉了他们的行踪。
十月四日晚，当第六师团的混成旅团距离大庙还有五十公里路地时，百灵庙这儿突然枪炮齐鸣。
在林虎三的指挥下，骑一师配合一个军的红军主力，在十二辆坦克，三十多辆装甲汽车，四十辆汽车的掩护下，突袭百灵庙。
战斗在凌晨两点爆发。
百灵庙驻有伪骑兵第7师约1800人、德王直属骑兵1000余人，另有专任指导的日本军官、伪装士兵500人，总计约为3300人。而林虎三一次性就投入了一万五千人的主力部队。
百灵庙四周环山、山外为平坦草地、35公里内无村落、易守难攻。德王为配合日本人南侵，更在北山位置修建了机场，并暗中囤积航空燃油。
战前，林虎制定了隐蔽接敌、正面攻击与迂回包抄相结合、速战速决、准备阻击援敌等指导要领，“以强袭之准备作奇袭之行为”，对百灵庙发起进攻。
第一波突击部队，全部是用汽车拉到最前线，然后十二辆坦克聚成矛尖状，装甲汽车跟后，一波突击，当场就德王的伪军部队打得落花流水，四散奔逃。
历史上这群人面对武器和战斗力稍差的傅作义部也只坚持到天亮就全线崩溃。而这一回，面对着坦克和装甲汽车组成的钢铁突击群，战力极差的蒙古伪军更是一击即溃。
唯一给红军造成巨大麻烦的，反而是打着商族“身份”进入百灵庙的那五百名日军。大战发生时，这五百名日军当时大部分聚集在一起，结了个环形阵地防守。
红军和他们一交手，立刻就发现其防守的环形阵地火力猛，枪法准，给进攻的红军造成了不小的伤亡。
“陈光在哪，把我的坦克开过来！”
前线指挥作战的林虎三早就知道有这样一支日军藏在百灵庙。
在林虎三的指示下，围攻的红军对这股日军只是暂时地围而不攻，先是集中力量围歼德王的伪军部队。其间这股日军想要突围，却被调来的坦克仗着刀枪不入欺负日军缺乏反坦克武器赶了回去，在丢下近百具尸体后，只能困守在一处只有二十多米高差的小山包上。
天亮时，围攻百灵庙的红军已全歼德王的大部分部队，只有百余骑兵荒不择路的向东逃窜，至于德王也死于乱军之中。
天明时，最后的总攻开始，林虎三一口气将所有的坦克集中在一起对日军防守的环形阵地发动集团突击。
这十二辆坦克，平均每辆身上都披挂着十枚黄克设计的反步兵跳雷，突击前选择的装药是三十米距离近身型。十二辆坦克不讲武德的突入日军防御阵地前十余米处时，先一步对着小山包日军的防线发射跳雷，
而与此同时，布置在稍后位置的二十余门迫击炮，则在这时不断地发射迫击炮轰击山包给予炮火支援。
短短的一瞬间，占地不过几百平米的山包就落下了一百多炮弹或跳雷，凶猛的火力令山上守军瞬间死伤大半。
换成从前，林虎三是绝对舍不得如此奢侈地使用火力覆盖战术的，但是拿下太原兵工厂，又夺得巩县兵工厂，弹药充足的林虎三，终于也过了一把“有钱人”的瘾。
火力覆盖过后，跟在坦克后面红军步兵配合坦克一起伴随进攻――这个时期的日军，严重不重视自动火力，手中的武器基本只有三八大盖。坦克冲山虽然不是太正确的作法，但是有步兵掩护却也问题不大。其间有两个不要命的日本兵身上绑着集束手榴弹想冲击坦克，却被掩护的步兵用花机关枪扫倒。
百灵庙的战斗，在上午八点时基本结束。
战后打扫战场时，红军发现，这股日军凶残无比。不少伤员在战场上装死，身下压着手雷想拉红军同归于尽――好在几个月前黄克还在国内时，和林虎三谈起日军时，就特地向他交待了这一点，更把历史上平型关战役时日军俘虏那些作为和他说了。
林虎三可不是什么迂腐之人，相关事项也早就对下面的红军战士特别交待过。打扫战场前提别吩咐他们小心鬼子装死反扑，觉得不对劲地先往脑袋上来一枪。
事后统计，共有六名受伤装死的日本兵怀抱手雷想同归于尽，好在全部都被发现提前爆头干掉。而二十多名从战场上捕获的受伤日俘，事后也极不老实，疯狂地反抗，咬人。要不是红军有纪律在先，林虎三当时真的很想将这些日俘全毙了。
天亮的时候百灵庙北部的机场，也早已落入红军之手。事后统计收获，日军在百灵庙这儿悄悄囤积的子弹就超过二百万发，机枪十挺，电台三部，火炮五门，步枪一千二百多杆，以及大量珍贵的燃油。
拿着缴获数字，对比一下黄克交给他的历史上傅作义发动百灵庙战役的缴获，林虎三发现自己战果是对方的两倍有余。
而百灵庙机场的获得，让红军可以在更接近前线的距离建立前线机场，这对于接着下围歼大庙方向的日军主力意义更大。
而昨晚就在红军突袭百灵庙的时候，大庙方向的“保安团”在地下党的率领下发动“起义”，干掉当地的蒙伪军残部。
百灵庙遭遇红军夜袭，守军全军覆没的消息，在当天九点就摆在了东京大本营指挥石原莞尔的面前。
日军的战略意图被红军识破，此时已不容置疑了。
而这个时间点，谷寿谷的第六师团一部混成旅团，距离大庙还有三十里地。一下子就处于极尴尬的地步。
进攻，明显就要和拥有数量优势和主场之利的红军为敌。
后撤的话，那么为了此次战役前面准备的一切就成了一场天大的笑话.......
“这一仗，不能打！”
不光是具体执行前线作战任务的驻华派遣军司令部那儿，就连前线的谷寿夫，都已经意识到百灵庙这儿是个坑，不能再冒险了。