在百灵庙惨败的日、伪军并不甘心失败，他们撤到了锡拉木楞庙一线休整的同时，准备反攻百灵庙。
田中隆吉为了挽回颓势，命令“大汉义军”的副司令雷中田率领所属金宪章、石玉山、葛子原、赵奎阁等部在锡拉木楞庙集结，向百灵庙反扑。
11月28日，敌以汽车100余辆运兵3000余人到锡拉木楞庙，准备反攻百灵庙。
29日，王英直接指挥伪军骑兵2000余人绕过商都以北土木尔台，运动到陶林西北一带牵制晋绥军。
锡拉木楞庙位于百灵庙东35公里处，在四子王旗的北部。
晋绥军攻下百灵庙后得知伪军在此集结，料定敌必反攻，于是制定了退兵诱敌、守庙打援的方针。
在作战部署上，晋绥军决定：“一、以骑兵第2师孙长胜师长率该师(3个团)附炮2门，进击乌兰花，另以420团附炮1连，乘汽车支援骑兵；二、以211旅孙兰峰旅长指挥421团、补充第1团、炮兵2连、小炮4门，为固守百灵庙之部队，但除421团现在庙内之部队外，余在庙外准备，临时进入；三、以419团附炮1连，在后厂汗次老为伏兵；四、以独立第7旅之两个团，由卓资山开驻武川、黑老各1个团。”
这样，使锡拉木楞庙之敌不能单独反攻百灵庙，而又迫使该敌离开，晋绥军则相机占领之。
自12月3日起，伪军向百灵庙反攻。
守卫百灵庙的晋绥军1个团奋起反攻，杀伤伪军一部后，有计划地后退，诱敌深入。
数小时后，庙外晋绥军发起反击，深入之敌大败而去。
至4日9时，彻底粉碎了伪军的反攻，毙“大汉义军”副司令雷中田及日、伪军500余人，俘200余人，并将王英伪军主力牵制于乌兰花一带，锡拉木楞庙敌守备力量大为减弱。
伪蒙军反攻百灵庙失败后，残部退到锡拉木楞庙和布拉图庙。伪军内部、伪军和日本顾问之间产生了矛盾，关系恶化。
战败的伪军旅长金宪章、石玉山感到叛国附敌毫无出路，遂派人与傅宜生接洽反正事宜。
当百灵庙守军与敌反攻部队激战时，骑兵第2师在乌兰花东北15公里处的南厢村、红房子与王英部激战，将其包围于乌兰花西北七八十里处的黄陶瓦。
12月8日，石玉山部1个旅在阵地反正。
9日凌晨，金宪章也率部反正，将日本顾问小滨大佐以下日本军官27名悉数杀死，同时向伪蒙军第7师穆克登宝突袭，将其大部歼灭。
9日上午，晋绥军进占锡拉木楞庙。
此时，伪蒙军呈土崩瓦解之势，伪旅长安华亭率领2个团、伪团长王子修率1个团于12月18日宣布反正。
随后，伪军吕存义部闻安、王反正，也率部投诚。王英带着残兵逃回张北，被日军全部缴械。
至此，“大汉义军”彻底覆灭。
李守信、德王等人意识到大势已去，只得仓皇而逃，撤出了乌兰察布，准备返回锡林郭勒。
然而，他们半路上却听到了一个让他们吐血的消息——锡林郭勒失守了！
没错，锡林郭勒确实失守了，占领这里的不是别人，正是马铮的铁血团！
12月8日，当晋绥军主力在锡拉木楞庙发动反击的同一时间，马铮这边也终于行动起来了！
在马铮的亲自指挥下，两个团的精锐在经过加强火力之后，同时从化德和沽源两地出发，兵分两路向北进攻。
西路军由云剑指挥，经由镶黄旗、正镶白旗，攻向锡林浩特。
东路军由马铮亲自指挥，由沽源出发，经太仆寺旗、正蓝旗、桑根达来，杀向锡林浩特。
由于事先已经做好了相应的准备，超过800名精锐小分队已经渗透进了这些伪军驻守的城镇，所以当战斗打响之后，各部队进展非常的迅速。