随着作战命令的下达，第35军各部夜行昼伏，与6月7日前基本上抵达了预定的进攻位置。
其中101师已到达五原西北40华里的陈旺圪旦附近，新31师、新32师已到达五原西云柜什巴圪图地区，骑7师已推至乃马召。
因为行动秘密迅速，日军并未察觉，为突然袭击五原创造了有利条件。
7日白天部队偃旗息鼓，全部进入休息状态，等到太阳一落山，日军的侦察机回窝后，大批的国军纷纷露出头来开始活动，秘密向五原县城开进。
夜12点，反攻战斗打响。
此战前敌总指挥由新31师师长孙兰峰担任，五临警备旅旅长徐子珍任副总指挥。
战斗打响之后，93团团长安春山率突击队800人，越过障碍，由五原城东南方面突入城内。
与此同时，新31师在缺93团的情况下，在五临警备旅山炮营的配合下，同时由五原西面攻进城关，向阳城义和渠以西之敌攻击。
新32师向五原旧城广盛西、前后补红之敌猛攻，屯垦部队203旅奋力攻进南门，并攻下了屯垦合作社等南街敌据点。
在五原战斗打响的同时，傅宜生亲率第35军主力一部五千人在临河通往五原的公路上设伏，静等临河日军的增援。
战斗一开始就进入了白热化阶段，突击队在攻城战一开始，国军就阵亡营长2员，连长7员，但他们也在城内部队的配合下攻破五原城，歼灭顽抗之敌近500名，肃清了南门及南街之敌。
突击队以奇袭战法，突入城后，分向纵深目标攻击，日伪军由睡梦中惊醒，慌做一团！
有的干脆在睡梦中被击毙，根本就没有做反抗。
凌晨一点，国军各部已经占领了实行小学、屯垦合作社、皮毛坊、日军司令部、天主堂、耶稣堂等重要据点，敌人粮弹库亦被我军占领。
城内未歼残敌，都聚集在屯垦办事处、平市官钱局两个据点内，抵抗待援。
不过此时临河与包头的日军也接到了五原城日军的求援电报，当下包头的日军总指挥官小岛吉臧中将立即命令临河的日伪军立即增援五原。
同时鉴于临河城守军有限，且距离国军的核心统治区太近，遂决定放弃临河城。
凌晨两点，临河日军将能携带的物资全部带走，带不走的一把火烧了，而后主力在上百辆马车的配合下赶往五原城。
然而当部队刚刚走到刘召就遭到了国军的伏击，一千多日伪军面对六千多国军主力的进攻，顿时被打了个措手不及。
血战一个多小时，五百多日军被围歼，剩余的则是借着战马顺利突围，但是百余车物资却成了第35军的战利品。
与此同时，五原城经一夜激战，敌我双方均伤亡惨重，但城里的守军最终在天亮前被歼灭。
出于国军攻入城内的掏心战，打乱了日军的整体部署，尤其是指挥系统被摧毁的情况下，日军内外各部因失去联系而变得惊慌失措，遭到各个击破。
截止6月8日上午，五原城及其外围据点大部分被攻克，302团将乌加河二财主圪旦守桥敌军一个团击溃、俘虏多人，随将桥梁破坏。
新6旅亦于8日拂晓前，将乌拉壕、万和长桥梁守敌击溃，将桥梁破坏，有力地阻敌增援。
及至8日晨，尚有五原旧城以及前后补红、广盛西之敌仍在抵抗中。