全面抗战爆发后两年多的时间里，日军已无力发动大规模的全面性进攻作战。国民政府则总结了前一期对日作战的经验与教训，制定出“抽出部队，轮流整训，强化战力，准备总反攻，以击灭入侵之敌”的战略。到1939年10月，第一、第二期整训完毕，国民政府军事委员会决定于1939年底对日军发动全国规模的冬季大反攻。当时驻防于绥远的中国军队由第8战区副司令长官傅作义统一指挥，他建议攻击日军在华北的重镇———包头，得到蒋介石的批准。

1939年12月中旬，傅作义决定对包头实行奇袭战，并下达了军事部署，命令其兼任军长的35军孙兰峰的新31师、阎锡山部队的于霖瑞团为主攻部队，奔袭包头城。35军新32师掩护攻城部队，35军101师为总预备队，“中央军”门炳岳的骑兵师负责破坏铁路，并相机占领萨拉齐县城，以阻击增援包头之敌；他还调集宁夏马鸿逵的35师、由民兵改编的绥远游击军以及在红格尔图战役中投诚改编的新六旅等部，驻守包头周边，阻击增援之敌。

门炳岳部出发后，于12月17日与敌军发生战斗，19日又在夜间偷袭驻萨拉齐的日军，但遭到大股日军的进攻，被迫后撤。傅作义得到报告后，遂将攻打包头的时间提前一天，改为20日凌晨2时行动。此时，35军孙兰峰部已秘密到达包头外围，接到命令后，孙兰峰立即命令部队攻城。

当担任助攻任务的孙部93团行至包头城西北高地附近时，发现敌坦克5辆，汽车10余辆出城（前往“讨伐”门炳岳师），而西北门关厢的敌人阵地及碉堡内无人踞守，随即决定由此处登城。当时城上的守兵是两个伪军，他们发觉93团后立即投诚，并指出日军守城部队的位置。93团官兵在消灭日军守备队后，夺取了一个弹药库。此后担任主攻的晋绥军于霖瑞团和第91团也由西北门陆续进城，分别向城内攻击目标前进。

至20日9时，攻城部队占领了包头大部分，和敌人展开激烈的巷战。因入城的35军和晋绥军部队未能密切配合，使城内日军得以喘息，包头市没有迅速攻下。20日下午3时，入城部队成功将城内日军压迫至城东南一隅。敌人曾用坦克掩护多次突围，均被击退。一伙日军曾用汽车组织突围成功，但被埋伏在城外的绥远游击军和35军炮兵消灭。

鉴于敌人开始向包头派出增援部队，傅作义于20日夜晚12时赶到位于黄草洼的孙兰峰指挥所，命令部队“将攻城打援改为看城打援，以阻击增援之敌”。在阻击战中，35军会同绥远游击军、新6旅等部奋勇作战，给敌人以巨大杀伤，重创前来增援的敌骑兵第13联队、第14联队，击毙第14联队联队长小林一男大佐。35军101师则歼灭伪军一个团，生擒伪团长于振瀛。

但到了21日清晨，从张家口、大同、归绥赶来增援的日军，出动飞机、坦克和远程大炮向中国攻城部队轮番轰炸。至13时，日军在优势火力掩护下突破阻击各部队的封锁线，相继抵达包头城下，并向黄草洼新31师攻城指挥部攻击。35军新32师、第101师相继赶到，向日军发起猛烈反击，战斗呈现胶着状态。

此时，傅作义认为此次“远袭包头，业已攻入城内，消灭了大量敌人，并将日军主力吸引过来”，“为了避不利、找胜利，决定作战略转移”。于是各部队开始撤退，日军随后追击，但被殿后的101师击退。

值得一提的是，22日，35军撤出包头时，仍有93团1营的7名战士没有收到撤退通知，坚守包头城内的娘娘庙。他们屡次击退日军的进攻，直至22日入夜后因弹尽粮绝，举枪自戕殉国。

虽然35军此战未能收复包头，但歼灭了敌人大量有生力量，更吸引了晋北、察南以及华北大部分日军的注意，使日军抽调华北兵力南下的企图未能得逞，因而在1939年底至1940年初的冬季攻势大大减弱。