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1940年1月31日，日军倾巢出动由包头开始向西进犯。2月3日至6日，敌人先后进占了五原、临河、陕坝、百川堡，先头部队到了宁夏交界的三盛公，头、二、三道桥。在敌人西犯进程中，傅作义将军设下包围圈，运用远距离奔袭和突击队突然插入敌人心脏的掏心战术，阻击敌人，先后收复了临河、陕坝。迫使敌人退守在五原一带。
傅作义将军针对当时敌情，于1940年2月26日夜在亚马来召开了团长以上的干部会议。会上，傅作义将军根据大家的意见，决定收复五原。
1940年3月18日，根据黄河及各渠道开始解冻的情况，傅作义将军下达作战命令。各部队奉命后，于19日夜进至攻击准备位置。20日夜12时，傅部同时向五原新旧城、梅令庙、新公中、蛮克素、郝进桥等敌据点进攻。21日拂晓，击溃新公中之敌，敌人向五原城溃退中，又被傅新31师部队痛击，溃不成军，向北山逃窜，最后被傅101师及五原民众全部歼灭。
傅各部自20日午夜发起总攻，至21日上午11时前后，新31师及配合该师的警备旅2团占领了旧城除平市官钱局和屯垦办事处及文化馆以外的敌人各据点。新32师占领了广盛西和前后补红新城的据点，集中围歼新城城内之敌。101师及新6旅击溃据守乌加河和乌拉壕的敌军，破坏了两处桥梁，构筑工事准备打击敌之援军。下午3时许，由安北、固阳增援之敌，遭我新6旅在万和长地区的阻击，战至下午5时许，由包头增援之敌陆续到达乌加河北岸。这时，我32师击溃新城的伪蒙古军，占领了新城。傅随即命令新32师整顿部队为全军预备队。新32师务必在21日黄昏前肃清旧城全部敌人。当时的情况是：平市官钱局、屯垦办事处两个据点都由日军据守，两处都有坚固工事。炮兵打了十七发炮弹就摧毁了平市官钱局的围墙，91团孙英年随即突进平市官钱局，张进修营包围了屯垦办事处，用爆破杆摧毁围墙后突击，守敌大桥大佐和桑原特务机关长等全部被歼。
在主攻旧城的31师进攻平市官钱局、屯垦办事处的同时，傅打援的101师和由包头、固阳增援之敌在贾粉房圪旦展开激战。因包五公路被军民放水淹没，桥梁破坏，敌急于渡河营救日皇族水川尹夫中将等高级人员和他们残存的官兵，白天使用6架飞机配合80门重炮向五原城内轰炸扫射，步兵在炮火掩护下反复冲锋，战斗极为惨烈。自21日下午至23日下午激战三天三夜，敌未能越我雷池一步，使攻城部队得以顺利全歼守敌。
敌军在乌加河北岸花费了三昼夜的时间，付出了五、六千发炮弹、数十万发子弹的沉重代价，仍不能突破我方阵地。24日上午又增派骑兵集团主力和26师团一部，在飞机大炮掩护下强行渡河。傅部奋力阻击，敌未得逞，双方伤亡都很惨重。傅部共伤亡将士679名，完成了阻击敌增援任务后，24日黄昏撤出阵地。
河套地区北有乌加河，南有黄河，东有乌梁素海及退水渠。敌人必经之道路被傅部及五原民众放水淹没。从五原逃出的残敌，大部淹死在乌梁素海，有的陷入泥淖被我军民杀死或俘虏。日酋水川尹夫中将也在此战役中被击毙。
这一战役，敌人的伤亡除在乌加河上与我军争夺战中的重大伤亡不计外，仅就日军（不包括伪军）被击毙的有：水川尹夫中将、金腾少将、大桥大佐、桑原中佐等日籍人员约300人。俘虏了浅沼庆太郎、西田信警察指挥官以下50余人，毙伤日兵1100余人，毙伤伪蒙军3000余人，俘虏伪蒙军（包括投诚）共1800余人。缴获山野炮、平射炮30余门，汽车50余辆，轻重机枪50余挺，步骑枪3000支，窒息性瓦斯筒1000余个，瓦斯弹200余发，电台2部，日本战刀100余把，各种弹药不计其数。
五原战役后， 傅将军的名字一时闻名遐尔，令人仰慕。