万和长时，也遭到守军的抵抗。南路由小岛吉藏指挥的骑兵集团同样进攻不顺，在西山嘴的黄河两岸遭到守军约5000人的有力抗击。
从北面接近五原城的第26师团，随即分出一路，迂回至五原城以西。
守军与其进行了一天的战斗后，于2月3日撤离五原城，南路的骑兵集团也于同日到达五原。
3日攻占五原的两路日军，4日向西作快速追击，骑兵集团沿黄河北岸，于4日下午到达临河外围，经战斗后于当晚17时30分占领了临河城；26师团，则由五原向西经永利、巴彦特拉、新华、狼山，经战斗后于5日的夜间占领了杭锦后旗。
日军自以为攻占了河套平原，并判断守军已经逃遁，但此时傅作义指挥的第35军、骑兵第6军、第81军等主力部队仍在河套地区，并准备集结还击。
攻克临河后不久，驻蒙军主力开始撤回，仅留少部与特务机关及伪军驻于五原。
在了解了日军驻于五原的情况之后，第8战区第35军随即出击，对五原进行合围、攻击，不到一天的时间就将五原的新城、老城全被收复，日军、伪军、特务机关全部被消灭或被俘，日军总指挥官桑原荒一郎中佐等被击毙。
得知这一情况的驻蒙军司令部，急派骑兵集团和26师团赶往五原，骑兵集团到五原北的五加河地区，强渡时遭到守军的有力反击，但这批日军任然突破守军的阻击突入五原。
而守军在日军入城后则在五原附近与日军展开游击战，并将五加河的河堤掘开，造成五原地带的大片泛滥区，由于不少道路被淹没，方向也难以辨认，日军行动大都靠空中飞机指引。
由于这一情况，驻蒙军随之将第26师团和骑兵集团的部队撤回。
战后由于冈部直三郎未按华北方面军规定的五原作战结束后，部队返回原驻地的命令行事，使留在
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