就在李宏向綏西、綏中大舉出擊的時候，羅廣文在朔縣和日軍第35師團爆發了一場慘烈至極的空前血戰。
日軍第35師團自6月2日從河北集結出發後，立刻乘坐火車，沿平漢路北上，隨後經平綏路到大同換車，再走同蒲路北段於6月9日抵達朔縣外圍。
此時，朔縣已經被羅廣文拿下，但由於城防工事損毀嚴重，於是羅廣文將主戰場擺在了朔縣以東的神頭鎮。
6月10日拂曉，日軍第35師團正式向預三師正麵陣地發起猛攻，拉開了朔縣之戰的序幕。
預三師奮力抵抗，寸土不讓，接連挫敗日軍多次進攻。
麵對日軍的強力進攻，羅廣文並未一味的依托陣地被動抵抗，而是采取了攻守結合的戰術。羅廣文一麵嚴令正麵防守的部隊死守陣地，一麵組織兵力迂回至日軍側翼展開反擊。
6月10日夜，預三師趁著日軍白天猛攻陣地一天，人困馬乏的時候，大舉出擊，從正麵、南北兩翼三麵反攻，擊退日軍10裡，摧毀日軍火炮6門。
次日上午，惱羞成怒的日軍再次卷土重來，集中火力猛攻正麵的陳西河底陣地。
預三師七團死戰不退，雙方血戰三日，均死傷慘重。
6月14日，日軍以毒氣彈開道，再次撲向陳西河底陣地。預三師七團猝不及防下，陳西河底陣地失守，上百名戰士中毒身亡。
日軍乘勝追擊，繼續向西進攻，然而卻遭到了七團的反衝擊，攻勢為之一滯。
當天下午，預三師八團從北側出擊，七團在炮營火力支援下正麵反攻，血戰兩個小時，再次奪回陳西河底陣地。
次日淩晨，為了報複日軍的毒氣彈，羅廣文命令各團組織敢死隊，再次對日軍展開全麵反擊。在敢死隊的衝擊下，日軍死傷慘重，陣地接連被突破，雙方絞殺在一起。東西長達5公裡的戰線上，槍炮聲震天動地，連綿不絕。
在激戰中，日軍的輜重聯隊遭到預三師炮營的猛烈炮擊，輜重損失近半，其中隨軍攜帶的毒氣彈半數以上被摧毀，毒死了不少日軍。
戰至上午十點，隨著日軍逐漸穩住陣腳，羅廣文見占不到便宜，便主動撤退，下令部隊退回陳西河底陣地。
此後，雙方再次恢複膠著狀態。
6月15日，日軍騎兵第一旅團在包頭以東中伏被圍，危在旦夕。駐蒙軍司令部急電第35師團，立刻脫離戰場，向大同撤退集結，乘坐火車前往包頭增援。
於是，在6月16日清晨，第35師團以飛機、大炮為掩護，發出了自戰鬥打響以來最強一擊。
麵對日軍步坦協同、陸空一體的立體化進攻，預三師儘管抵抗十分英勇，但依舊不敵，損失慘重。戰至下午三點，預三師正麵陣地全線失守，被迫退守朔縣縣城。
16日夜，第35師團借著黑夜掩護悄悄撤離戰場。
17日，正當羅廣文打算依托城防，和第35師團決一死戰時，卻發現對手早已不見蹤影。於是，羅廣文立刻派出偵察兵向東偵察，這才得知日軍已經連夜撤離。
經過一周的血戰，預三師雖然成功守住了朔縣，但付出的代價不可謂不慘重。經過統計，全師共計陣亡1971人，重傷705人，輕傷無法戰鬥的2392人。算上之前的傷亡，全師減員已經達到了5500人左右，元氣大傷。
儘管預三師傷亡如此慘重，但是羅廣文卻並不打算就此撤兵，反而向衛戍司令部的羅大山請戰，趁著晉北空虛的大好時機，收複失地。
羅大山經過一番深思熟慮後，同意了羅廣文的請求。於是，羅廣文立刻整頓部隊，將損失慘重的七團留下堅守朔縣，主力兵分兩路，八團攻打平魯、九團進攻右玉。
駐守平魯的日軍僅有一個守備大隊，兵力800人左右。除此之外，城內還有一個偽軍步兵團，兵力1000人。
八團憑借著強大的火力，很快便占領了平魯縣城外圍陣地。日偽軍死傷慘重，被迫縮回城內固守。但是由於在撤退時，日軍逼迫偽軍殿後，致使偽軍軍心浮動，對日軍心生不滿。
18日夜，八團以聲東擊西之計佯攻南門，實則悄悄迂回至北門偷襲，成功奪下北門。
見北門失守，平魯偽軍立刻反正，並與日軍爆發火拚。
雙方激戰一夜，日軍損失大半，僅剩不到百餘人狼狽逃往大同。至此，平魯光複。
19日淩晨三點，九團經過近40小時的長途奔襲，悄然抵達右玉西門。
淩晨四點，九團派出敢死隊，趁著日偽軍熟睡，悄無聲息地摸到城門下，利用炸藥包將城門成功炸開。
隨後，九團立刻發起猛攻，一舉攻入右玉城內。
驚醒的日偽軍立刻組織兵力從城內反擊，結果與九團迎麵相撞，雙方立時爆發血戰。
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街道巷戰之中，九團憑借著鐵拳反坦克火箭筒和槍榴彈開路，打得日偽軍節節敗退，遺屍累累。日軍的機槍火力點基本上開火的瞬間就被火箭筒鎖定，隨後在火箭彈的爆炸中灰飛煙滅。
激戰至中午時分，日偽軍損失大半，被徹底趕出縣城，狼狽向東逃竄，右玉光複。
與此同時，在綏中，李繼賢來到預二師，跟隨預二師再次向綏中反攻。
6月18日夜，預二師成功收複歸綏，殲滅守城日偽軍大部。
收複歸綏之後，預二師留下一個營防守歸綏，主力大舉東進，在旗下營一帶設立防禦陣地，迎戰從大同趕來的第35師團。
第35師團在大同補充物資後，立刻乘火車北上，結果沿途鐵路遭到中國空軍轟炸而中斷，在集寧以西地區被迫下車步行。
19日，日軍先頭部隊抵達旗下營。
李繼賢、劉小偉主動出擊，成功打了日軍一個伏擊，殲敵300人。
20日，第35師團主力抵達，隨即便向預二師發起猛攻。雙方激戰一天，不分勝負。
21日淩晨，由於包頭被中國軍隊收複，駐蒙軍司令部下令第35師團停止西進，向集寧轉進。
6月24日，李宏和馬總司令下令各自部隊全麵掃蕩綏西、綏中各地，摧毀日偽軍據點，成功收複各縣。
至此，這場大戰終於落下了帷幕。
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