后，日伪军迅速反应过来，日本特务机关长盛岛角芳亲自上阵指挥作战，以炽烈火力阻止晋绥军前进。
战至凌晨4时，攻击部队深入各敌阵地，战斗呈胶着状态。
上午7时天即放明，若无进展，敌飞机助战，援兵亦至，则对晋绥军非常不利。
因此孙长胜、孙兰峰到第一线指挥作战，袁庆荣指挥炮兵，并拨给尖刀连9辆汽车，每班乘1辆，由东南山口鱼贯向庙内冲击，决心在早晨全歼庙内之敌。
经过反复搏斗，终于突破敌阵，突入庙内。
激战后将敌歼灭大半，日本特务机关长盛岛角芳意识到已经无力回天，首先率部逃跑，日本顾问烟草谷与伪蒙军第7师师长穆克登宝也分乘汽车狼狈逃窜。
至上午9时30分，晋绥军收复了百灵庙。
百灵庙一役，毙伤伪军七八百人，俘虏300余人，缴获炮3门、重机枪5挺、步枪400余枝、电台3架，还缴获了弹药一批、面粉2万袋和大量汽油，晋绥军伤亡官兵300余人，取得了绥远战场上的大捷。