1940年2月26日，傅作义在亚马赖召开团以上干部会议，研讨反攻五原、收复失地的战略决策。经过反复讨论，作出了收复五原的决定和作战部署。
    3月10日，傅作义令新31师、五临警备旅主攻五原新城，新32师攻占五原旧城及附近据点，101师负责在乌加河一线阻击敌人援军，其余各部配合作战。3月19日夜各部到达指定位置。
    3月20日夜，各部统一行动，展开了收复五原的战斗。新31师800名敢死队员用掏心战术突进五原新城，后续部队随后涌入，分割包围了日军各据点。经过一夜的激烈战斗，大多据点被端掉，只屯垦办事处和平市官钱局两据点之敌利用强大火力和毒气弹死守待援。五临警备旅第二团团长贾晏如阵亡。傅部采用山炮平射方法摧毁了敌人工事，捣毁了特务机关和王英的绥西联军司令部。日军特务机关长桑原中佐当场毙命，伪绥西联军司令王英乘隙逃脱。22日下午，五原新城被攻克。
    新32师进攻五原旧城及周围据点时，遭到伪蒙军顽抗，双方伤亡惨重。师长袁庆荣负伤，95团第一营营长赵寿江阵亡。赵营官兵几乎全部战死，仅余7人。21日下午增援部队赶到后，经过激烈战斗傅军占领五原旧城。
    从3月21日下午始，日军增援部队乘汽车百余辆陆续到达乌加河畔。双方隔河展开激战。面对日军的飞机大炮的强大火力，101师官兵浴血奋战，将敌人阻止在乌加河北岸，保证了五原战役的胜利。23日，傅作义遂令101师停止阻击撤出战斗。日军进入五原时已是一片废墟。敌人不敢继续停留，只携带数百具日军尸骨骨灰返回包头。
    五原收复是傅作义将军领导的35军及其他驻套部队在极端困难的条件下，利用天时、地利、人和三个有利因素，卓越指挥取得的，是全国抗战以来中国军队第一次收复失地的重要战役。此役，击毙日军皇族水川伊夫中将、步兵联队长大桥大佐、特务机关长桑原中佐等，共歼灭日伪军3400余人，俘敌300余人，缴获大炮16门、汽车50余辆和大批武器弹药。五原战役震动全国，各大报纸均以“五原大捷”为题予以报道。国民政府致电嘉奖，并授傅作义将军“青天白日勋章”。国内各党派团体纷纷来电祝贺或派代表团前来慰问。战役结束后，傅作义将军在陕坝隆重举行了庆功大会，对杀敌支前有功军民进行了表彰。